探究客車側圍結構接頭焊縫間距的疲勞分析

肖以順 劉合峰 馮正明

摘 要：客車在使用過程中，運行的安全性是人們最為關注的內容，同時也是保證交通運輸的重要因素。而客車骨架的接頭焊縫，對客車的使用質量具有重要影響。文章通過對客車側圍結構接頭局部模型進行分析，提供了多種焊縫間距的疲勞性能對比結果，對焊縫間距和疲勞之間的關系進行了初步的分析判斷。

關鍵詞：客車骨架;焊縫間距;疲勞

中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-124-03

Exploring the Fatigue Analysis of the Weld Spacing of the Side Joint Structureof Passenger Cars

Xiao Yishun， Liu Hefeng， Feng Zhengming

（?Zhongtong Bus Co.， Ltd.，?Shandong Liaocheng?252000?）

Abstract：?During the use of passenger cars， the safety of operation is the most concerned content of people， and it is also an important factor to ensure transportation. The joint weld of the passenger car skeleton has an important influence on the quality of the passenger car. In this paper， the local model of the side joint structure of passenger car is analyzed， and the fatigue performance comparison results of various weld spacings are provided. The relationship between weld spacing and fatigue is analyzed and judged.

Keywords： Passenger car skeleton; Weld spacing; Fatigue

CLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-124-03

前言

疲勞失效在汽車零件中是比較常見的一種文體，客車作為一種高性能運轉的交通工具，其在使用過程中受到的振動和沖擊較為頻繁，易出現疲勞損壞文體，而在進行客車車身的設計時，可以通過有限元的疲勞CAE對不同零件的疲勞進行確認，最大程度上避免零件的不合理壽命分布。而對于骨架上的焊接接頭，其數量是非常多的，一方面是由于客車的車型結構，另外則是當前的工藝還達不到一體化的客車結構制造。而骨架上的焊接焊縫間距，其是影響客車疲勞性能的重要因素之一。

1 焊接結構疲勞原因及現狀分析

對于焊接工藝，其最早出現在20世紀初期，隨著該技術的不斷研究深入，其已經成為當前工業生產中的重要施工技術之一，目前，焊接工藝被廣泛應用在造船、鐵路和汽車等領域，起到了非常重要的作用。而疲勞損壞一直都是焊接工藝的弊病之一，由于材料結構而產生的疲勞裂紋，很容易使汽車結構發生嚴重的損傷，從而影響其安全使用。

對于焊接結構疲勞失效，其主要是因為以下幾點原因：首先，焊接接頭在靜承載能力上一點也不屬于母材，但在動態承載過程中，由于焊接接頭和焊接形式的影響，使得其在使用過程中容易出現過早失效問題;然后，對于早期的焊接結構設計，其主要是為了滿足靜態結構，對焊接的疲勞失效重視程度不足，造成很多焊接結構的疲勞設計并不完善，甚至完全沒有，這就使得早期的客車骨架結構在使用過程中容易出現焊接接頭位置疲勞問題;另外，對于早期的焊接設計人員，其對焊接結構的抗疲勞性能了解不足，在進行焊接設計時往往會照搬其他金屬材料的疲勞性能，從而使得早期的客車在使用過程中非常容易出現骨架焊接結構異常問題，影響其正常使用。^[1]伴隨著客車的結構不斷改變，其在人們生活中的使用頻率也在逐漸增加，人們對客車的安全性能重視程度不斷提高，從而對客車的焊接質量重視程度也在逐漸增加。

2 不同焊縫間距對疲勞的影響研究

對于客車來說，其骨架是整個車身的承載構件，同時為了能夠更好的提升承載能力，往往需要在客車的骨架側圍設置一些斜撐，這樣來提升客車的整體承載標準。根據不同的焊接工藝，在進行焊接時需要將焊縫和立柱焊縫之間預留一定的空隙，這樣才能夠保證焊縫的結構性能符合標準。

為了能夠更好的提升研究效率，在本文中選擇了客車側圍的一個局部結構，通過對不同焊縫間距進行分析，了解焊縫間距對整個骨架疲勞的影響。根據客車的骨架結構設立對應的有限元分析模型，選取其中的研究位置進行重點研究和建模分析，確認其影響參數和可能的影響數據。

2.1 研究模型的提取

為了能夠通過模型更加準確的反應客車的骨架情況，本文從客車的車身側圍上選取了一段局部結構，通過對這一結構進行確認，建立了對應的簡化模型，模型的長度控制在3400mm，高度設定在680mm一下，模型材料選擇的是20#鋼，通過數據調查得知，該材料的彈性模量E=2.06×10¹¹Pa，泊松比數據為0.3通過模型能夠更加直觀的了解客車骨架局部材料的應力情況，通過梁-殼混合模型來對整個模型進行構建，通過殼單元對結構位置進行網格劃分，由于這一部分的精度相對較高，單元格的劃分是以2mm作為單位;而對于接頭意外的位置，其是通過100m的單元進行網格劃分的。在本次研究工作中，焊縫間距設定數值為5/7.5/10/20/30和40mm，不同的焊縫間距分別繪制成對應的CAE模型，這樣能夠更加方便觀察不同焊縫間距下的客車骨架疲勞情況。^[2]

2.2 應力分析

通過對當前的客車應用情況進行調查，本文主要選擇了當前比較常見的6種模型，并對其進行彎曲應力的對比分析。將模型的左端進行完全的固定，然后在Z方向上施加1000N 的力，從而使模型結構能夠在XZ平面內發生彎曲變形。對于不同焊縫間距的模型分別進行彎曲測試，能夠得到不同焊縫間距下的模型接頭應力分部須情況，將其繪制成對應的應力-間距曲線圖，分析焊縫對應力的影響。

通過上圖可以發現，最大的應力處于斜撐和立柱之間的縫隙位置，通過對應力數據進行分析，當焊縫間距為5mm時，焊縫位置處的應力最大，可以達到42.9MPa，而當焊縫間距在7.5mm時，應力的水平最低，最大應力大概為24.6 MPa。通過數據對比和圖形觀察可以發現，焊縫間距和應力之間存在著一定的比例關系，當焊縫間距在7.5mm以下時，其應力隨著焊縫得到變化而呈現較大的變化趨勢，而當焊縫間距超過約8mm時，其變化趨勢相對減小。

2.3 不同焊縫間距模型的疲勞分析

通過對不同模型的疲勞壽命差距影響分析，可以確認到不同焊縫間距對疲勞的影響效果。由于客車骨架結構的疲勞無法通過數據直接進行展示，只能通過焊縫連接位置處的應力變化情況來側面反映焊縫間距對疲勞的影響。結合現有的應力分析結果和分析軟件，建立對應的對稱循環荷載曲線，從而方便研究人員對疲勞壽命進行更加準確的計算。但對于本次研究的數據發現，其中的7.5mm和10mm的焊縫間距得到的數據為無限壽命，因此，這一計算仍然存在著一定的不足。為了能夠更好的突出焊縫間距對疲勞壽命的影響，本文對荷載系數進行了增加，從而能夠更加方便的計算出客車骨架的疲勞壽命受到的影響。通過對應的數據分析可以發現，不同模型的疲勞壽命分布規律是相同的，且最小壽命值基本上都出現在立柱和斜撐的縫隙位置處，這表明壽命的最小值和焊縫間距之間具有直接的對應關系。^[3]

通過對荷載增加前后的壽命數據進行對比發現，不同模型的最小壽命之間相差非常大，這表明隨著荷載系數的增加，不同的焊縫間距對壽命的影響逐漸增加，且增加的比例較大。將對應的疲勞壽命曲線和應力曲線匯整到一起觀察，可以發現兩者呈現一種反向變化，在應力最大的情況時，模型的最小壽命也最小。

3 骨架接頭位置焊縫改善措施

在客車骨架的焊縫位置處，應力是造成疲勞問題的主要影響因素，如何調整應力是當前對提升客車疲勞性能的重要措施。首先是預過載法，這種方法指的是通過含有應力集中的試樣進行拉伸荷載，指導其缺口的位置處出現了一定的拉伸塑性變形，在卸載之后，其缺口位置及其周圍的壓縮應力也會得到一定的提升。

而受到這一試樣的影響，在后續的疲勞測試中，其應力范圍也會發生明顯的減少，從而提升焊接接頭位置處的疲勞強度。然后是局部加熱方法，這一方法是通過局部的加熱處理來對焊接位置及其周圍殘留的應力進行消除，通過對周圍的應力進行集中的壓縮，能夠調整接頭位置處的疲勞強度，對于這種方法，其在當前僅僅應用于縱向非連續焊縫施工中。而對于單面的角接板，加熱的位置是固定的，而對于雙面角接班，其需要選擇板件的重心，這樣才能夠實現壓縮應力的效果。

4 總結

對于客車骨架接頭焊縫間距，其對焊接位置的疲勞性能具有直接的影響，且焊縫間距的影響呈現一種二元曲線的效果，在最低點時才能夠保證焊接位置處的疲勞性能最佳。在進行客車骨架接頭焊縫設計時，需要根據不同的材質和荷載選擇最佳的焊縫，這樣才能夠保證客車骨架的使用質量。

參考文獻

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[2]?吉伯海，徐捷，姚悅，傅中秋.考慮荷載影響面的鋼橋面板頂板-U肋焊縫疲勞損傷分析[J/OL].重慶交通大學學報（自然科學版）：1-9.

[3]?高劍峰，那景新，閆亞坤.客車骨架接頭焊縫間距對疲勞性能的影響[J].北京工業大學學報，2012，38（05）：668-671+694.