基于斷裂力學的構架焊接缺陷容限尺寸研究

李忠文

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 前言

轉向架是決定高速動車組運行品質、動力性能和行車安全的走行部件，構架作為轉向架組成部分，將轉向架的驅動、制動、懸掛等系統組成整體，承受和傳遞載荷，起到轉向架的“骨架”作用[1]。構架采用鋼板焊接而成，結構設計滿足高速化對于輕量化的需求[2]。但焊接作為一種材料成型工藝方法，焊接接頭不可避免地存在各種缺陷，焊接結構必然存在殘余應力，同時焊縫微觀組織與性能不均勻，因此焊縫是焊接構架的承載薄弱區[3]。

構架作為承受疲勞載荷的典型部件，存在著發生疲勞裂紋的隱患，而疲勞裂紋發生的潛在區域通常為焊接缺陷位置。軌道車輛焊接構架結構強度評估均是基于S-N曲線上累積損傷方法實現的，采用CAE軟件進行有限元建模并未考慮焊接缺陷，當前的焊接構架強度評估方法并不能解決構架中對于焊接缺陷的規范[4]。鐵路運輸的高速化和線路狀況的多樣化導致構架服役環境復雜化和惡劣化，為了保證高速動車組的安全運營，結構設計必須保證焊接缺陷不會導致裂紋形核并擴展，因此必須采用斷裂力學方法來研究焊接缺陷最大允許尺寸。

1 應力場強度因子計算方法

高速動車組構架典型焊接接頭形式有對接、角接和十字接頭等，極易導致裂紋形核的位置主要有表面線性缺陷處（如咬邊等）和根部連續缺陷處（如未熔合、未焊透等）。應力場強度因子計算方法有工程計算法、有限元法等[5]。針對工程常用的典型焊接接頭形式及缺陷，研究人員通過大量的計算與試驗對比建立了工程計算方法，其準確度高、計算效率快、工程化特點明顯，并收錄到相關結構設計規范中，因此采用工程計算方法獲得應力場強度因子[6-8]。

1.1 表面線性缺陷

焊接接頭表面線性缺陷如圖1所示，構架表面橢圓缺陷的深度a與半長c之比通常小于1，拉伸應力下局部厚度內缺陷尖端處的應力場強度因子為[6]

式中 Mk為考慮存在應力集中的放大因子；Δσ為名義應力范圍；F為形狀因子。

圖1 焊接接頭表面線性缺陷尺寸Fig.1 Dimensions of surface linear flaw at the weld toe

φ0為第二類完整橢圓積分，計算公式如下

1.2 根部連續缺陷

焊縫根部連續缺陷為貫穿型缺陷，焊接接頭根部連續缺陷示意如圖2所示，采用鋼結構疲勞設計規范中推薦的應力場強度因子計算方法[7]

式中 F為形狀因子。

式中 Δσ為名義應力范圍；a為缺陷深度的1/2。

圖2 焊縫根部連續缺陷尺寸Fig.2 Dimension of continuous flaw at joint root

2 計算結果及分析

表面線性缺陷前緣的應力場強度因子計算結果如圖3所示。

圖3 表面線性缺陷應力場強度因子計算結果Fig.3 Calculation results of stress intensity factor for surface linear flaws at toe

隨著應力和缺陷深度的增加，應力場強度因子明顯增加（見圖3a）。缺陷深度a與半寬度c之比對應力場強度因子影響明顯，a/c越小，應力場強度因子越大（見圖3b）。構架材料為公稱屈服強度345 MPa的耐候鋼，焊接接頭疲勞裂紋擴展門檻值[8]ΔKth=4.2 MPa·m1/2。據此得到不同應力水平下的缺陷最大允許尺寸見圖3c，對a/c為0.2、0.5、0.8的缺陷，應力范圍分別為87MPa、103MPa、121 MPa時最大允許缺陷深度a與板厚T之比為1.5%。考慮高速動車組構架材料選用、結構特點和安全系數，通常的應力范圍約為70 MPa，由計算結果可知，對a/c為0.2、0.5、0.8的缺陷，最大允許的表面缺陷深度分別為板厚的5%、11%、26%。

焊縫根部連續缺陷應力場強度因子計算結果見圖4。隨著深度的增加，缺陷前緣的應力場強度因子增加更為顯著（見圖4a），獲得的不同應力水平下的缺陷最大允許尺寸（見圖4b），隨著應力水平的增加，缺陷最大允許深度明顯降低。應力范圍為70MPa時，由計算得到的未焊透最大允許深度為板厚的23%。

圖4 焊縫根部連續缺陷應力場強度因子計算結果Fig.4 Calculation results of stress intensity factor for continuous flaw at joint root

3 結論

（1）焊縫表面線性缺陷和根部連續缺陷的前緣應力場強度因子隨著缺陷深度或應力的增加而增加。

（2）焊縫表面線性缺陷的深寬比場強度因子越大。

（3）缺陷容限尺寸與應力水平存在必然關系，隨著應力水平的增加，缺陷容限尺寸明顯降低。

參考文獻：

[1]王伯銘.高速動車組總體及轉向架[M].四川：西南交通大學出版社，2008.

[2]楊亞強.轉向架焊接構架疲勞強度研究[D].四川：西南交通大學，2010.

[3]王文靜，劉志明，李強，等.CRH2動車轉向架構架疲勞強度分析[J].北京交通大學學報，2009，33（1）：5-9.

[4]張樂樂，李培，劉晨.焊接缺陷對轉向架強度的影響[J].中國鐵道科學，2010，31（2）：67-72.

[5]張俊清.高速列車空心車軸表面裂紋應力強度因子研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[6]IN STITUTION BRITISH STANDARD.Guide to fatigue designand assessment of steel products[S]：BS 7608-2014.BSI Standards Limited，2014.

[7]日本鋼結構協會.鋼結構疲勞設計規范及說明[M].日本：技報堂出版，1993.

[8]日本鐵路車輛工業協會.JIS E 4207-2004，鐵路車輛—轉向架—轉向架構架設計通則[S].