淺談高速動車組焊接構(gòu)架多軸疲勞強(qiáng)度評估

趙秉宇

摘要：高速動車組在長期運(yùn)營中處于牽引啟動、制動、過曲線等多種復(fù)雜工況，在軌道不平順、車輪不圓、踏面磨耗等激擾作用下致使焊接構(gòu)架受到與之連接部件傳遞的多個(gè)交變載荷。為更好的反映焊接構(gòu)架在實(shí)際運(yùn)營過程中所受的多軸應(yīng)力狀態(tài)，提高焊縫區(qū)的有限元分析結(jié)果精度，本文對高速動車組焊接構(gòu)架多軸疲勞強(qiáng)度評估進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：高速動車組;焊接構(gòu)架;疲勞強(qiáng)度

一、焊接構(gòu)架強(qiáng)度分析

高速動車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架主要有由管狀橫梁、板狀縱梁和側(cè)梁焊接為H型，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，根據(jù)焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受載情況，對不影響求解結(jié)果的一些孔以及圓角結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化。為了較準(zhǔn)確的模擬構(gòu)架在運(yùn)營過程中的受載情況和結(jié)構(gòu)特性，在一系彈簧安裝座和轉(zhuǎn)臂定位座處選用Springl4單元模擬彈簧約束，采用Bearn188單元模擬車軸，采用Mass21單元模擬牽引電機(jī)。為了更加全面的模擬車輛運(yùn)行中可能出現(xiàn)的工況，將UIC615-4和EN13749標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組合，考慮了焊接吊座載荷，組合共得到直線驅(qū)動、直線制動、曲線驅(qū)動、曲線制動運(yùn)營條件下的49種載荷工況，確定了正常運(yùn)營載荷工況下更加全面的工況類型。

二、焊接構(gòu)架的多軸疲勞強(qiáng)度評估

（一）疲勞薄弱區(qū)多抽應(yīng)力狀態(tài)判定

對于一個(gè)受力體某一點(diǎn)的3個(gè)主應(yīng)力中，若僅有一個(gè)不為零，即為單軸應(yīng)力狀態(tài);若有兩個(gè)不為零，則為雙軸應(yīng)力狀態(tài)，若3個(gè)主應(yīng)力均不為零，則為三軸應(yīng)力狀態(tài)，確定受載結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是否處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，相關(guān)學(xué)者引進(jìn)新的參量評定受力體的應(yīng)力狀態(tài)，主要有：

Davis和Connolly定義參數(shù)T判別多軸應(yīng)力狀態(tài)，該參數(shù)為：

I為第1應(yīng)力不變量

由Manson和Halfford定義了參數(shù)MF1來判別多軸應(yīng)力狀態(tài)，參數(shù)表示為：

由Manjoine定義了參數(shù)M三來判別多軸應(yīng)力狀態(tài)，參數(shù)表示為：

結(jié)合式（1）～式（4），當(dāng)M=1或T=1時(shí)，受力體處于單軸應(yīng)力狀態(tài)，否則受力體處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。其中表1為焊接構(gòu)架在第一種載荷工況下各個(gè)評估點(diǎn)的主應(yīng)力以及等效應(yīng)力進(jìn)行多軸應(yīng)力狀態(tài)評定結(jié)果，從中可以得知，所有的疲勞評估點(diǎn)的T、M、M3個(gè)參數(shù)均不等于1，得出對于焊接構(gòu)架焊縫在受載荷條件下呈現(xiàn)多軸應(yīng)力狀態(tài)。

（二）焊接構(gòu)架的多軸疲勞強(qiáng)度評定

根據(jù)表I分析，轉(zhuǎn)臂定位座焊縫疲勞應(yīng)力幅最大，為焊接構(gòu)架的最薄弱位置，因此，需要多軸疲勞評定準(zhǔn)則進(jìn)一步進(jìn)行該處的疲勞強(qiáng)度評定。非比例加載下的多軸疲勞準(zhǔn)則主要有等效應(yīng)力準(zhǔn)則、應(yīng)力不變量準(zhǔn)則、臨界面應(yīng)力準(zhǔn)則等3類。采取Crossland和Papadopoulos兩種等效應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域疲勞強(qiáng)度判定，Crossland對Sines疲勞準(zhǔn)則進(jìn)行了修正，考慮了靜水應(yīng)力的影響，提出應(yīng)力張量不變量可以反映物體變形狀態(tài)的實(shí)質(zhì);Papadopoulos提出的細(xì)觀積分法綜合考慮了彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅對疲勞破壞的影響，認(rèn)為雖然疲勞裂紋的萌生是由材料內(nèi)部臨界體積內(nèi)微觀剪應(yīng)力在特征滑移帶上晶粒產(chǎn)生的塑性變形累積引起，但是在高周循環(huán)加載下材料一般宏觀上表現(xiàn)為彈性形變。

（三）轉(zhuǎn)臂定位座焊縫區(qū)域安全裕度計(jì)算

引用安全裕量參數(shù)狀分別采用上述兩種準(zhǔn)則對轉(zhuǎn)臂定位座焊縫進(jìn)行多軸疲勞評定，Crossland和Papadopoulos準(zhǔn)則的安全系數(shù)分別為：

得出轉(zhuǎn)臂定位座焊縫區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的安全裕量值，結(jié)果如表2所示。由表2可得，兩種準(zhǔn)則下的疲勞強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù)均在1之上，滿足疲勞強(qiáng)度要求，但是Pepadopoulos準(zhǔn)則較Crossland準(zhǔn)則而言，計(jì)算結(jié)果比較集中，都分布在1附近，結(jié)果較保守。

三、結(jié)論

對應(yīng)力幅值較大的轉(zhuǎn)臂定位座焊縫區(qū)域節(jié)點(diǎn)分別采用Crossland、Papadopouios多軸判定準(zhǔn)則進(jìn)行疲勞強(qiáng)度判定，并引入安全裕量參數(shù)，評定結(jié)果均大于1，疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且Papadopoulos準(zhǔn)則較Crossland準(zhǔn)則，結(jié)果較保守。

參考文獻(xiàn)：

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