動車組鋁合金車體焊接接頭應力集中區域識別

謝素明,韓冰,兆文忠

(大連交通大學 交通運輸學院，遼寧 大連 116028)

0　引言

鋁合金具有密度低、強度高、擠壓性能好、焊接性優良及加工性能好等特點，已經成為高速列車動車組車體生產的主導材料[1].由于焊接結構的連接性能好、連接方式可行而大量應用于動車組車體的生產制造上.由于焊接工藝的特殊性，使得焊接接頭有較大的應力集中現象.例如：鋁合金車體常用到的對接接頭的焊縫高于母材的金屬表面，高出部分稱作余高，余高的存在使得母材與焊縫之間的過渡變得不平滑，在焊趾的過渡處引起較大的應力集中現象[2].目前，降低焊接接頭應力集中的方式主要有合理的焊接接頭設計、焊縫噴丸碾壓及打磨等改善技術.張毅研究焊縫幾何參數對應力集中的影響，發現減小焊趾傾角，增大過渡圓弧半徑，增加板厚，減緩焊趾處截面形狀的變化等方法都可以改善焊趾處的應力集中[3].田新莉研究了焊前打磨對焊接接頭壽命的影響以及焊前打磨時的工藝標準[4].方喜風對鋁合金焊縫的打磨方式做了詳細的分析，并詳細研究了打磨工具的種類[5].為了減少焊趾處應力集中的嚴重程度，BS 7608指出對于在焊趾處存在潛在疲勞裂紋的焊接接頭，可以通過局部機械加工或打磨焊趾的措施提高疲勞強度，打磨后的疲勞強度提高了大約30%.

動車組鋁合金車體主要由底架、車頂、側墻和端墻四大部件組焊而成，這些大部件的中空擠壓鋁合金型材之間的焊接接頭主要為對接、搭接以及角接型式，焊縫長度達到20多米，共計300余條.如果這些焊縫都需要使用改善技術，毫無疑問將會耗費大量的人力和物力.本文以某動車組鋁合金車體為研究對象，在靜態載荷作用下，基于結構應力[6]研究車體典型焊接接頭的應力分布規律，識別焊縫應力集中發生部位，確定需要改善技術的焊接接頭區域.

1　焊接接頭結構應力

由于焊縫及其附近存有達到或接近屈服點的殘余應力，因此在常幅施加應力循環作用的接頭中，焊縫附近所承受的實際循環應力將是由材料的屈服應力(或接近屈服應力)向下擺動，而不管其原始作用的循環特征如何.因此，裂紋擴展過程中，外載荷控制的應力對疲勞的影響顯著，殘余應力對疲勞裂紋的影響則不顯著.也就是說，外載荷控制的應力與殘余應力對裂紋擴展的影響是不在一個數量級上的，后者遠小于前者.

結構應力是研究焊接結構疲勞失效機理時的一個極為重要的力學量，是外載荷在焊趾或焊根處所引起的應力集中的度量.在外載荷作用下焊縫上焊趾所在截面上高度非線性的應力狀態不管多么復雜，總是可以分解為兩部分，如果一部分應力能與外載荷平衡，那么其余部分應力(即：殘余應力)必然自平衡，這樣與外載荷平衡的那一部分應力對焊縫疲勞開裂的驅動就等價于外載荷的驅動，而結構應力恰是這一部分[7].根據結構力學理論，焊縫截面的正應力可分解為沿板厚t分布的膜應力σm和彎曲應力σb，結構應力σs即定義為焊縫截面膜應力和彎曲應力之和:

σs=σm+σb

(1)

以結構應力的膜和彎曲分量表示的法向應力σx(y)和橫向剪切應力τ(y)不僅要滿足垂直于假定裂紋面的平衡條件，還需在其臨近參考面處滿足.當假定裂紋面和其臨近參考面的距離δ足夠小時，橫向剪切應力分量τ(y)可以忽略不計.

(2)

(3)

利用基于位移的有限元方法獲得的節點力和節點彎矩來表示結構應力的膜和彎曲分量，基于功等效原則完成從節點力/節點彎矩到線力/線彎矩的轉換，實現了結構應力對單元網格大小的不敏感.式(4)中fy和mx表示局部坐標系下線力和線彎矩.

(4)

由上述分析及公式可見，結構應力具有：力學特征完全由外力模式與接頭本身的板厚控制；是基于力的平衡概念而提出來的，且可以直接用結構力學公式計算；在焊趾處，它給出了外力在焊趾上產生的應力集中；在截面內，它給出了所在截面內沿著板厚方向的應力分布狀態.

2　車體焊接接頭應力分析

某動車組中間車車體結構主要由四部分組成：底架、車頂、側墻和端墻.車體組成中側墻、車頂、底架形成的筒形結構與端墻靠彎曲的連接板焊接組成，端墻與側墻、端墻與車頂的連接由連接板分別與各大部件焊接完成.為了計算的準確性，車體有限元模型以任意四節點薄殼單元為主，三節點薄殼單元為輔；單元總數2 255 842，結點總數2 000 567；模型中長度單位mm、力的單位N、質量單位t、應力單位MPa.全車焊縫可分為對接焊縫、搭接焊縫以及角接焊縫，共計焊縫300余條.車頂、側墻、底架鋁合金擠壓型材之間多為對接焊縫，約25 m長；底架或車頂鋁合金擠壓型材之間為搭接焊縫，約25 m長；角接焊縫為鋁合金板材與擠壓型材之間或者鋁合金板材的連接方式，多分布在牽引梁、窗角與門角附近.圖1為車體有限元模型及鋁型材之間焊縫示意圖.

圖1　車體有限元模型及擠壓型材之間焊縫示意圖

動車組車體設計載荷是為模擬所設計車輛在線路運行時的受力狀態，各標準中的設計載荷數值往往是根據本國線路特點，由車體線路試驗數據和設計經驗確定.車體設計載荷的合理性關系到車輛運行的安全性，設計載荷選取太大，無法保證車體的輕量化，設計載荷太小，車輛運行可靠性就低.我國現有的高速動車組車體設計載荷一般參考歐洲EN 12663標準.根據歐洲標準EN12663- 1：2010中的計算工況，車體主要承受垂向和縱向載荷，垂向載荷主要是由于車輛自身重量和乘客重量引起，考慮到軌道不平、鋼軌接縫等線路原因及車輛本身狀態不良，引起輪軌間沖擊和車輛簧上振動而產生垂向動載荷，由經驗及測試數據取垂向動載荷系數0.3.縱向載荷主要來源于車體端部壓縮作用力和車鉤座區域的拉伸和壓縮作用力，考慮到列車低速緊急制動或緩解時因相鄰車輛間發生速度差對車鉤區域造成壓縮或拉伸作用，由于動車組編組輛數有限，對緩解波數要求不高，故拉伸載荷一般小于壓縮載荷.依據EN12663- 2010標準，該動車組車體應力集中分析的載荷工況有三種.第一種工況為垂向超員載荷工況，垂向載荷450 kN；第二種工況為整備狀態車鉤座拉伸工況，垂向載荷383 kN，縱向載荷1 000 kN；第三種工況為整備狀態車鉤座壓縮工況，垂向載荷383 kN，縱向載荷1 500 kN.質量大于500 kg的車體懸掛設備有：牽引變壓器、輔助變流器、客室空調、車載電源與制動模塊.車體有限元分析時，與轉向架連接部位約束垂向線位移，并在其一側再約束橫向線位移；車鉤位置約束縱向線位移.

選取動車組車體底架邊梁與底架地板之間搭接焊縫，底架地板之間對接焊縫以及底架邊梁與側墻之間對接焊縫等6條焊縫作為研究對象，參見圖1.圖1中，1為車頂型材之間搭接焊縫，2為車頂型材之間對接焊縫，3為底架邊梁與側墻型材之間對接焊縫，4為車頂型材與側墻型材之間對接焊縫，5為底架型材之間對接焊縫，6為底架邊梁與底架型材之間搭接焊縫.焊縫起點均為車體一位端型材端部，終點為車體二分之一處.這六條焊縫結構應力分析的技術路線為：①利用HyperMesh軟件定義焊縫處節點及單元集合，記下焊點的起始節點、起始單元編號，板厚；②基于ANSYS軟件，在靜態載荷作用下對車體焊接接頭進行分析，提取計算結果RST文件中焊線的節點力，依據結構應力計算公式，計算沿焊線長度分布的結構應力.上述六條焊縫在各工況下對應的結構應力曲線如圖2所示，圖中垂直超員工況的焊縫5，沿焊縫方向的距離的縮放比例為1∶0.54(即圖中1 mm相當于0.54 mm).

圖2　不同工況下六條焊縫沿焊縫長度的結構應力變化曲線

圖2可以看出：在車鉤拉伸和壓縮工況作用下，焊縫6的結構應力發生應力集中的區域，參見圖3中的區域1，位于距離焊縫起點1 261 mm處的側門下門角部位；焊縫5的應力集中發生在距離焊縫起點5 735 mm處，如圖3中區域3所示.在垂向超員載荷工況作用下，焊縫6的應力集中區域為距離焊縫起點5 753 mm的設備艙擋板部位，如圖3中區域2；焊縫5在牽引梁下蓋板區域發生應力集中，距離焊縫起點3 074 mm，參見圖3中區域3.其它焊縫的結構應力均沒有明顯的應力集中現象出現.

圖3　焊縫發生結構應力集中的區域示意圖

對于存在應力集中現象的焊縫可以對其發生區域采取打磨措施，有效的提高疲勞壽命.例如：依據IIW- 1539- 07/XV- 1254r4-07標準，對于底架邊梁與底架型材之間的搭接焊縫，打磨前、后疲勞等級分別為28和36，若該位置的最大主應力變化范圍為20 MPa，那么，由此計算的打磨前、后的焊接接頭壽命次數將分別為5.487 5E+06和3.247 3E+07.

3　結論

在垂向超員載荷、整備狀態車鉤座拉伸和壓縮工況作用下，動車組鋁合金車體底架的中空擠壓型材之間聯接焊縫結構應力發生應力集中現象的區域為：底架邊梁與其搭接型材焊縫的、距離起點1 261 mm的門立柱下方地板上表面部位；距離焊縫起點5 753 mm的設備艙擋板對應的地板下表面部位，以及底架型材之間對接焊縫的、距離焊縫起點3 074 mm的牽引梁蓋板末端地板下表面部位.這些出現應力集中現象的焊縫區域，在對動車組鋁合金車體底架焊縫進行噴丸、碾壓及打磨時，要優先考慮.

參考文獻:

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[7]謝素明,郝博,邵文東，等.多軸轉向架焊接構架焊縫應力集中分析與壽命研究[J].大連交通大學學報，2014，35(5)：20- 21.