缺口應力法在機車焊接構架疲勞分析中的應用實踐

崔傳學 呂光宙 孫正夏 沈春奕

摘 要：為研究焊接接頭局部力學特征引入彈性缺口應力法，以此分析復雜焊接構件疲勞強度。筆者以Neuber應力平均概念進行探討，在分析缺口應力的有限元分析中局部模型的邊界條件控制采用節點力法，和位移法相比能夠更好避免應力不集中分布不均的情況。運用缺口應力法對機車的焊接構架進行疲勞分析，可以建立起焊接部件新型疲勞評估法。

關鍵詞：缺口應力法;機車焊接構架;疲勞分析;運用

對焊接部件產生裂紋之后壽命的評估方式從整體到局部有不同的評估方式，如應力法和彈性缺口應力法等，這些方式的基本原理都是確定焊接結構細節位置上的應力參數，再使用對應的曲線計算出疲勞強度損傷理論和最終的疲勞損傷，存在的不同之處應力集中因素的不同。但是機車焊接構件屬于復雜焊接構件，使用單一的評估方式很難完成評估，因此采用彈性缺口應力法，建立起關鍵焊接部件缺口模型分析其疲勞強度。

1.缺口應力

焊接接頭在一定的外力作用下，根據不同迎來集中因素影響分類能夠劃分，接頭表面的應力可以劃分為多個區域，距離焊接趾較遠的名義應力區域內應力的大小和截面尺寸相關，因此這個位置的應力相對穩定;結構應力區域內受到應力集中的影響應力會相對應增加，熱點應力就是對這個區域內多個應力值推算出來的[1]。如果接近焊接趾前端存在局部缺口，應力會增加在趾端達到巔峰處，也就是缺口應力。焊趾處的疲勞裂紋一般都是從缺口處產生，沿著板厚方向擴展，所以在分析的時候準確分析焊接接頭缺口應力，對于分析焊接部件疲勞強度有很現實的意義。

2.缺口模型應力分析

如果運用有限元方式分析焊接接頭的缺口應力，需要在焊趾和焊根處構造虛擬缺口圓，以缺口內圓的最大應力作為缺口區域的真實應力。缺口圓內的最大應力計算得出缺口區域內真實的應力。缺口區域內的網格質量將直接影響其結果的準確性。對于復雜的焊接結構，要想直接建立起精細的缺口分析模型具有一定的難度，以此采取子模型、子結構法實現對缺口應力的準確求解。子模型的方式是使用整體結構模型分析荷載力的傳遞情況預防分配情況，經過子模型精細獲得局部的應力應變特點。子模型的邊界條件能夠通過位移、節點力精細獲取。因此在建立模型的時候需要確保子模型、全局模型之間相關聯部分的剛度一致，否則難以滿足建立模型的準確性。在現階段運用的有限元分析軟件中一般使用位移法，確定子模型的邊界條件。這種方式對于邊界均勻范圍確定的網格模型有很大的效果。但是焊接缺口處網格十分密集，位移控制邊界常常會引起應力集中、分布不均勻的情況，導致最終結果難以達到預期的效果。為解決這些問題，使用加載程序實現模型之間的節點力傳遞，施加較弱的彈性約束來完成求解，能夠緩解這些問題。子結構方式是將局部模型凝聚為超級單元鑲嵌在整體模型中，計算的時候設置耦合單元、接觸面超級單元等之間的連接。這種方式能夠很好的保證模型之間的剛度，但是精準度很差。

3.? 缺口應力法的運用

3.1建立起有限元模型

焊接構件屬于機車轉向架中重要的構件，對于現階段的機車而言目前的試驗方法很難合理運用，運用有限元方式評估構架的疲勞強度，具有很強的可行性。以處于某設計階段的四軸機車焊接構件為例，利用ANSYS 有限元分析軟件建立起局部有限元模型。建立模型的時候不考慮焊接縫頭的細節，截取側梁中部位置的焊接接頭建立起模型。

3.2疲勞荷載

焊接構架的疲勞荷載主要包括車輛重量引起的靜態荷載、通過曲線的生活側面滾動引起的準靜態荷載、模擬車體振動的動態荷載[2]。在討論的過程只能怪以垂向力引起的結構疲勞損傷為主要的方向。在加載的時候分為三個階段進行，第一個階段加載所有荷載，二三階段保持靜態不變。

3.3局部焊接接頭應力

在上圖中側梁局部焊接接頭位置出選擇五個觀測點，通過對缺口模型的有限元分析能夠獲得這幾個位置的應力狀態。整個過程處于線性分析，保持應力方向不變與載荷之間是正比關系，因此只需要計算靜態荷載下的受力情況就能夠推導出其他的情況。

3.4焊接接頭疲勞評估

根據構架局部應力狀態和循環狀態計算出構架局部的主應力幅度、疲勞損傷度，最后計算出最終的結果超過了臨界值。角焊縫在沒有焊透的情況下焊根處發生疲勞破壞的可能性很大，因此在工程運用的過程中往往采用多道焊接工藝，確保構架主焊縫都能夠焊接透徹，避免從根部產生疲勞裂紋。

結語：

由于彈性缺口應力法在國內焊接構件疲勞分析中的運用并不頻繁，因此在國內的運用還需要不斷挖掘和深入。使用有限元方式建立焊接構件的整體、局部模型，通過對節點力控制實現求解，可以解決位移傳遞邊界引起的應力集中情況。

參考文獻：

[1] 胡鑫， 嚴仁軍， 諶偉， et al. 基于缺口應力法的IIW多軸疲勞準則分析[J]. 焊接學報， 2019（7）：77-81.

[2] 王藝陶， 馮國慶， 任慧龍. 考慮殘余應力的加筋板結構疲勞裂紋應力強度因子計算方法研究[J]. 船舶力學， 2019（7）.