基于多軸疲勞評估方法的自卸車車架強度研究

2021-05-21 01:54:20張開林

鐵道機車車輛 2021年2期

林羽，銀豪，郭俊，張開林

（1 廣州電力機車有限公司，廣州510800；2 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

隨著列車結構可靠性及運行安全性要求的提高，焊接構件的疲勞破壞問題引起了越來越多學者的關注。構架作為承載機體，面對外載的復雜性與多樣性，其疲勞強度問題應當予以重視。因此，在設計階段，利用先進的分析方法，對構架進行及時的疲勞評估，從而很大程度上縮短了研發周期，節約了研發成本，對提高車輛結構可靠性及安全性具有重要意義［1］。軌道車輛構架的疲勞評估，國內評估系統長期借鑒OREB 12/RP17 研究報告［2］，日本工業標準（JIS），國際焊接協會（IIW），歐洲標準（EN），德國焊接協會（DVS）等準則，各標準之間有著共性及差異。

在對焊接構架進行大量的試驗分析后，國際鐵路聯盟試驗研究中心的研究報告OREB 12/RP17和結構的疲勞文獻指出，結構產生的疲勞裂紋方向與最大主應力方向相互垂直，依據結構疲勞破壞的這一顯著特點，將應力點的多軸應力轉換為單軸應力進行疲勞強度評估具有一定的理論基礎，同時得到了工程界很好的驗證［3］。文獻［4］針對單軸轉向架的結構特點，設計了9 種運營載荷工況利用最大主應力法對結構進行疲勞評估。然而，單軸理論處理受力相對復雜的情況顯得不足，目前疲勞評估方向應力的重要性日益突出。從以下標準資料中，可以看出基于方向應力的考慮：焊趾熱點應力分析中，IIW 標準推薦使用焊趾處最大熱點主應力作為疲勞應力參數，但要求最大主應力方向與焊趾垂向夾角在±60°以內，否則使用垂直于焊趾的熱點正應力作為疲勞應力參數［5］。EN 1993-1-9 規范評估焊縫時，考慮垂直于焊縫軸線的組合正應力以及沿焊縫軸線的剪應力。FKM設計方法認為應該對沿焊縫方向正應力，垂直于焊縫方向的正應力及沿焊縫方向的剪應力三向應力的利用度分別進行評估，并考慮接頭的綜合材料利用度。DVS 1612 同樣認為需要對三向應力分別進行評估并考慮綜合效果［6-7］。

基于多軸理論評估方法的研究，文獻［8］建立了焊縫的局部坐標系，分析了多軸應力法與ERRI法之間的差異，得出單軸應力評估具有局限性；文獻［9］通過對貨車車體焊縫建立局部坐標系分析了各方向應力分量對綜合材料利用度的影響大小，指出對于多軸狀態下的焊接結構基于最大拉應力理論獲得的疲勞評估結果將相對保守；文獻［10］利用二階張量法對多軸應力問題進行疲勞評估，得出張量法要優于直接法與投影法；文獻［11-12］基于DVS 1612 標準，建立了焊縫的局部坐標系分別對焊接構架典型T 型焊縫進行疲勞評估。文獻［13］通過對比各標準在均值為零時的應力幅、設計存活率、疲勞強度提高修正方法、平均應力修正方面，指出DVS 1612 是對其他標準的完善，代表了本行業的最新研究水平。文獻［14］從空間多軸應力狀態出發，在分析甲板和U 型肋的焊縫中對比了最大主應力法、等效應力法、名義應力法及臨界平面法認為焊縫處應力點的剪切力和沿焊縫的拉壓力影響疲勞破壞。文獻［15］以臨界平面法為基礎，將多軸應力轉換為單軸應力，同時考慮了正應力和剪應力對疲勞強度的不同影響。縱觀疲勞評估的研究發展，結合實際受力特點的多軸疲勞評估方法正被得到越來越廣泛的分析與應用。

依據DVS 1612 標準，在焊縫局部坐標系的基礎上，利用各方向應力的容許極限特點，建立母材疲勞評估的局部坐標系，母材局部坐標系的建立方法，結合了焊縫局部坐標系建立特點及單軸疲勞破壞假說，研究多軸疲勞準則對于焊接構件的疲勞強度評估起到了重要的作用。以自卸車車架為研究對象，分析了多軸理論在焊接車架上的疲勞評估應用。

1 局部坐標系建立

多軸應力狀態下的承載構件，德國機械工程學會（FKM）、德國焊接協會（DVS）、國際焊接協會（IIW）均認為影響疲勞破壞的3 方向應力分別為垂直于焊縫方向應力（σx）、平行于焊縫方向應力（σy）、平行于焊縫的剪應力（τxy），對于空間中走向各異的焊縫，建立對應的局部坐標系，同時母材依據應力點的空間應力關系，以最大主應力為基礎，構建對應的局部坐標系完成各方向材料利用度評估。

1.1 焊縫局部坐標系

對于空間彎曲的焊縫走向，如圖1 所示，考察焊縫B點的局部坐標系，設其坐標為（x0，y0，z0），取其前后兩點A、C為參考點，確定唯一空間圓，由B點指向圓心O的向量設為x軸作為垂直于焊縫的正應力向量σx，過B點且與圓相切的向量設為y軸作為平行于焊縫的正應力向量σy，垂直于x軸和y軸的向量作為z軸。因此已知A點坐標系（x1，y1，z1）和C點坐標系（x2，y2，z2）及所構成圓的半徑R，根據式（1）、式（2）解算出圓心O的坐標（xc，yc，zc），則局部x軸的向量為（x0-xc，y0-yc，z0-zc），考慮y軸處于ABC平面內且與x軸垂直，計算出y軸向量，同時根據z軸同時垂直于x軸與y軸條件，從而確定焊縫局部空間坐標系各坐標軸與絕對坐標系的位置關系。

對于空間直線焊縫走向，如圖2 所示，當焊縫連續的3 個點D、E、F共線時，考察點E的局部坐標系，由于無法確定過3 點的空間圓，可在焊縫所在的平面內任選除去上述共線三點所在直線上的參考點H，則x軸垂直于焊縫DF，且位于DFH平面內，y軸沿著直線焊縫，z軸同時垂直于x軸及y軸，建立了直線焊縫的空間坐標系。

圖1 曲線焊縫局部坐標系建立示意圖

圖2 直線焊縫局部坐標系建立示意圖

1.2 母材局部坐標系

傳統的單軸疲勞理論需要找出應力點各工況下的第1 主應力｛x1，x2，x3…｝，取當中的最大值max｛x1，x2，x3…｝所在的主應力方向為基本方向，采用應力張量公式向基本方向進行轉換，選取轉換出的最小值作為工況組合下的綜合最小應力，從而根據應力點的各工況下最大應力及最小應力作為交變應力的2 個極值，采用無限壽命疲勞進行評估。

可見單軸理論是在一維坐標系統進行分析，文中基于焊縫的空間坐標系建立方法及最大主應力理論，提出母材疲勞評估的空間坐標系建立方法。同樣假設疲勞裂紋擴展方向與最大主應力方向垂直，考慮應力點的多軸影響，由于各工況下第1 主應力的最大值需要格外關注，因此選取第1 主應力中的最大值作為x 軸，該工況下應力點的主應力如圖3（a）所示。當排除第1 主應力考慮其他方向應力分量的影響時，在第2 主應力S2及第3 主應力S3所形成的平面內，取三角形OS1S2的邊S1S2的中點H，連接OH 作為局部坐標系的y′軸，以x 軸為例分析OS1S2平面如圖3（b）、（c）所示。設S2的方向矢量為（L2，M2，N2），S3的方向矢量為（L3，M3，N3），S2與x 軸夾角為α，S3與x 軸夾角為β，∠S3S2O=θ，滿足關系式（3）、式（4）。

由于y′軸為原點O 指向邊S1S2的中點H，因此其在x 軸的方向矢量U 為式（5）。

同理，可得出y 軸的方向矢量為（L3·sinθ+L2·cos θ，M3·sinθ+M2·cosθ，N3·sinθ+N2·cosθ）。

式5 中可以發現，主應力S2與S3轉換到z′滿足S3·cosθ2=S2·cosθ1，即在z′軸上的分量為零。采用此法的好處是在考慮最大第1 主應力影響疲勞強度的同時，利用其他方向的應力分量合成為次級主應力，用于考慮多軸應力效應。

1.3 局部坐標系下的節點應力分量

通過確定局部坐標系與絕對坐標系的位置關系，可以將節點在絕對坐標系下的應力分量向局部坐標系進行轉換，節點在絕對坐標系下的6 個方向應力分別為Sx，Sy，Sz，Sxy，Syz，Sxz，根據斜面應力公式［15］，為式（6），轉換為局部坐標系下應力分量。

式中，l1、m1、n1為局部坐標系坐標軸x′與絕對坐標系三個坐標軸夾角的方向余弦；l2、m2、n2為局部坐標系坐標軸y′與絕對坐標系三個坐標軸夾角的方向余弦；l3、m3、n3為局部坐標系坐標軸z′與絕對坐標系三個坐標軸夾角的方向余弦。

2 自卸車車架結構及評估準則

2.1 車架結構

車架為整車主要承力部件，結構形式為“兩縱六橫”，主要由保險杠、前部抗扭管、縱梁焊接組成、上龍門焊接組件、下龍門焊接組件、中部抗扭管、舉升缸抗扭管、尾部抗扭管組成，如圖4 所示。車架離散成三維實體單元，車架與前后懸掛接觸處根據實際受力狀況離散成對應的縱向、橫向及垂向彈簧單元，以便較好地模擬實際支撐情況。其主體材料為HG70E，屈服極限為590 MPa。

2.2 模擬運營工況組合

運營載荷工況以垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷為基本載荷，考慮了靜載、直線、曲線狀態下的9種工況進行疲勞強度評定，見表1，F為垂向載荷，考慮了0.5 g 的垂向振動，F為橫向載荷，考慮了0.2 g 的橫向振動，F為自卸車過曲線時考慮的離心力，離心加速度取0.1 g，F縱向載荷考慮了0.3 g的振動作用。

2.3 基于多軸準則的疲勞強度評估準則

德國焊接協會DVS 1612 將不同焊縫形式、不同受載條件、不同焊縫質量、不同材料特性等分成了高低不同的疲勞應力容許曲線，定義為32 個等級，根據HG70E 的材料特性及通用焊接質量標準，選取結構各焊縫各方向等級見表2，選取不同類型焊縫及母材各方向應力評定的曲線如圖5～圖7所示。

圖3 母材局部坐標系示意圖

表1 運營工況組合表

圖4 自卸車車架結構示意圖

表2 各焊縫類型方向等級表

圖5 角焊縫各向應力評估曲線

圖6 對接焊縫各向應力評估曲線

3 車架典型焊縫及母材疲勞評估分析結果

依據前述焊縫及母材局部坐標系建立方法編制程序，在獲得表1 的9 個工況下的應力分布后，計算各節點在局部坐標系下的應力分量，基于多軸準則計算各節點材料利用度分量及綜合材料利用度。選取車架縱梁總成上蓋板對接焊縫，焊縫的各方向材料利用度及綜合材料利用度隨焊縫應力點位置變化的關系如圖8 所示，在表1 的9 個工況下，車架側梁主要承受彎曲載荷，在此處焊縫表現為將焊縫撕開的效果，表現為x向材料利用度與綜合材料利用度基本重合，該處對接焊縫在中部存在較大的切向力，對于切向材料利用度呈現兩端小中間大的趨勢。在應力分量影響程度方面，各方向材料利用度對綜合材料利用度的貢獻關系如圖9 所示，應力點向x向增大位置擴散，亮度提高，說明此處焊縫受到彎曲載荷，主要受垂直于焊縫的應力控制，y向正應力及剪切應力對該處疲勞強度影響較小。

圖7 母材各向應力評估曲線

圖8 對接焊縫材料利用度隨位置變化關系示意圖

圖9 各方向材料利用度對綜合材料利用度貢獻關系

選取縱梁總成下蓋板與側立板焊接的底板縱向角焊縫，將應力結果轉換為局部坐標系應力，各方向材料利用度及綜合材料利用度隨焊縫位置變化的關系如圖10 所示，最大材料利用度位于底部圓弧過渡處，其利用度為0.53，與y向應力曲線大體一致。各方向材料利用度對綜合材料利用度的貢獻關系如圖11 所示，應力點向y向增大位置擴散，亮度提高，底板角焊縫主要受縱向拉伸作用，對于主要承受彎矩的側梁，縱向角焊縫承擔縱向力作用，因此y方向應力占主導地位，x向與切向的影響甚小。

圖10 底板角焊縫材料利用度隨位置變化關系示意圖

圖11 各方向材料利用度對綜合材料利用度貢獻關系

選取縱梁總成下蓋板與側立板焊接的立板縱向角焊縫，各方向材料利用度及綜合材料利用度隨焊縫位置變化的關系如圖12 所示，在x=4 500 mm的中間位置，切向和x向正應力曲線均發生了明顯的突變，此處受內置筋板影響，造成立板上產生力流的偏轉，該處存在最大材料利用度0.56，且超過了圓弧處的利用度。各方向材料利用度對綜合材料利用度的貢獻關系如圖13 所示，相比于底板，切向與x向正應力均較大程度地影響了綜合材料利用度，因此在實際結構中立板的受力條件更加復雜需引起高度重視。

選取車架主體上應力較大點通過母材局部坐標系建立方法轉換出各方向應力后，計算綜合材料利用度并可視化處理，如圖14 所示，最大材料利用度0.70，位于橫向拉桿座與尾部抗扭管焊接部位，此外下蓋板圓弧過渡位置亮度較高，為相對危險部位。單軸方法下的母材材料利用度云圖如圖15 所示，最危險部位與多軸方法下的相同，最大材料利用度為0.84，較多軸方法更大，此處為焊接結構突變位置，最大主應力較大，且應力點的拉伸效應更為明顯，而多軸方法考慮y向和切向的影響，使得總體危險度下降，表現為綜合材料利用度更小。該云圖為車架的輕量化設計及局部加強提供了依據。