基于EN15085標(biāo)準(zhǔn)的鐵道車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析平臺的開發(fā)

楊 帥 何 天 趙文平 伊召鋒 李曉峰

(1．中車唐山機車車輛有限公司 河北 唐山 064000；2．大連交通大學(xué)機車車輛工程學(xué)院 遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著新型鐵路車輛產(chǎn)品的不斷運用，鐵道車輛逐漸暴露出焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效問題，為解決焊接結(jié)構(gòu)相關(guān)的疲勞壽命預(yù)測問題，設(shè)計出了符合EN 15085[1]標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計平臺—WELD-CODE。該軟件以承受疲勞載荷的車體與轉(zhuǎn)向架上的焊接結(jié)構(gòu)為研究載體，EN 15085標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計要求為基礎(chǔ)，嵌入當(dāng)今國內(nèi)外先進的已經(jīng)寫進美國標(biāo)準(zhǔn)的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法，為車輛焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞評估提供了高效可靠的評估平臺。

EN15085標(biāo)準(zhǔn)是目前被世界廣泛應(yīng)用的軌道車輛和車輛部件的焊接認證體系，在世界軌道車輛焊接領(lǐng)域極具權(quán)威性[2]。同時，也是軌道車輛企業(yè)開拓海外市場，參與國際競爭必備的通行證。該標(biāo)準(zhǔn)能夠通過獲取焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)，定義焊縫的安全等級、確定焊縫質(zhì)量等級和焊縫檢驗等級等。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計基礎(chǔ)

WELD-CODE軟件是在有限元理論基礎(chǔ)上，根據(jù)EN15085 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的設(shè)計流程，采用國際最新疲勞標(biāo)準(zhǔn)及網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法原理[3]，開發(fā)出的軟件系統(tǒng)平臺。該平臺用于焊接結(jié)構(gòu)和焊縫的疲勞壽命仿真計算，評估焊接結(jié)構(gòu)和焊縫疲勞壽命是否滿足相關(guān)疲勞標(biāo)準(zhǔn)要求，定義焊縫安全等級、確定焊縫質(zhì)量等級、焊縫檢驗等級等，用以指導(dǎo)軌道車輛設(shè)計與制造。

1.1 疲勞評估基礎(chǔ)

疲勞破壞是指結(jié)構(gòu)在動態(tài)載荷作用下，其應(yīng)力小于屈服應(yīng)力但發(fā)生了斷裂或開裂現(xiàn)象。所以，對于在動態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)，不僅要關(guān)注其靜強度失效，還要關(guān)注其疲勞破壞失效，因此，要保證車體運行的安全性不僅要進行靜強度性能評估，還要進行疲勞強度性能評估，只有將靜強度性能評估與疲勞強度性能評估相結(jié)合，才能組成嚴謹?shù)能圀w強度性能評估體系。

1.2 焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)外有許多用于預(yù)測車體焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)，比如英國的BS7608-2014+A1-2015標(biāo)準(zhǔn)、BS-EN-1993-1-9-2005標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)、國際焊接學(xué)會IIW標(biāo)準(zhǔn)以及最新的美國ASME標(biāo)準(zhǔn)[4-6]，都是目前我國最常使用的一些標(biāo)準(zhǔn)。以上標(biāo)準(zhǔn)都對不同類型的焊接接頭給出了相應(yīng)的S-N曲線，這些S-N曲線數(shù)據(jù)均為試驗測量得到的不同焊接接頭壽命結(jié)果，因此都具有較高的可信度。

2 焊接質(zhì)量評估模塊設(shè)計流程

EN 15085標(biāo)準(zhǔn)明確了應(yīng)力狀態(tài)、安全需求及焊縫質(zhì)量等級之間的對應(yīng)關(guān)系，疲勞強度校驗的第一步是確定接頭的應(yīng)力狀態(tài)，如果應(yīng)力狀態(tài)不能科學(xué)確認，焊縫質(zhì)量等級及檢驗等級將無法確認疲勞強度概念下的應(yīng)力校驗涉及的兩個必要條件：(1)焊接接頭上的疲勞載荷，如果不能給定疲勞載荷，應(yīng)力計算將無從談起。(2)焊接接頭上可靠的S-N曲線數(shù)據(jù)，如果不能給出合適可用的S-N曲線數(shù)據(jù)，應(yīng)力狀態(tài)等級的“高、中、低”也將無法判斷[7]。表1所示為應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力因數(shù)之間的關(guān)系。

表1 應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力因數(shù)的關(guān)系

系統(tǒng)平臺可以歸納出以下分析流程：

(1)記錄接頭特性、形狀、材料等；

(2)接頭應(yīng)力水平計算(獲得應(yīng)力)；

(3)應(yīng)力檢查，按照準(zhǔn)則，如果應(yīng)力大于動態(tài)載荷作用下的允許應(yīng)力，需要修改設(shè)計，返回到(1)，反之進入到(4)；

(4)根據(jù)疲勞強度校核結(jié)果確定應(yīng)力狀態(tài)(高、中、低)；

(5)根據(jù)對接頭的安全要求，確定安全狀態(tài)(高、中、低)；

(6)確認接頭質(zhì)量等級、確認焊接性能等級、檢查等級等。

系統(tǒng)平臺BS EN15085標(biāo)準(zhǔn)框架流程圖如圖1所示。

圖1 EN15085標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力因數(shù)分析框架及流程

3 疲勞壽命預(yù)測平臺模塊介紹

鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測平臺是專門開發(fā)預(yù)測焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的仿真軟件。核心算法依據(jù)英國BS 7608 等標(biāo)準(zhǔn)、名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，主要包含了6個主要功能模塊：

(1)名義應(yīng)力法疲勞計算模塊：采用自動計算向?qū)Р僮鞣绞剑瑑?nèi)置BS7608-2014+A1-2015標(biāo)準(zhǔn)、BS-EN-1993-1-9-2005標(biāo)準(zhǔn)、JIS標(biāo)準(zhǔn)、IIW標(biāo)準(zhǔn)的名義應(yīng)力法計算方法。可根據(jù)需要選取數(shù)據(jù)庫中各標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線數(shù)據(jù)和載荷譜數(shù)據(jù)，采用邁內(nèi)爾線性損傷累積法進行所有工況的疲勞損傷計算[8]，計算結(jié)果可自動輸出到Excel表格或TXT文本文件中，可實現(xiàn)文件保存，將設(shè)置參數(shù)和結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中。

(2)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法疲勞計算模塊：該模塊以美國ASME-2007標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算方法為核心，以有限元法為基礎(chǔ)，采用斷裂力學(xué)的原理，結(jié)合主S-N曲線模型，較精確地預(yù)測任何形式的焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[9]。

(3)系統(tǒng)載荷譜數(shù)據(jù)管理模塊：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包含了鐵路車輛常用的載荷譜數(shù)據(jù)。用戶也可自定義載荷譜，將試驗載荷數(shù)據(jù)增加到數(shù)據(jù)庫，并可以進行統(tǒng)計、查詢等多種操作，還能將載荷譜數(shù)據(jù)輸出到Excel表格或TXT文本文件中。

(4)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)S-N數(shù)據(jù)庫及主S-N參數(shù)管理模塊：導(dǎo)入名義應(yīng)力或結(jié)構(gòu)應(yīng)力后，用戶可選擇S-N曲線或主S-N曲線數(shù)據(jù)，軟件數(shù)據(jù)庫中提供了BS等標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線數(shù)據(jù)，及鋼、鋁的不同概率分布的主S-N曲線參數(shù)。用戶也可以根據(jù)需要自定義S-N曲線數(shù)據(jù)，并將自定義S-N曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中。

(5)疲勞損傷評估計算模塊：將S-N曲線或主S-N曲線及載荷譜數(shù)據(jù)與待評估焊縫一一對應(yīng)后，進行疲勞計算，用戶可根據(jù)實際情況輸入年運行里程(或次數(shù))值，考核年限(或次數(shù))值以及邁內(nèi)爾累積損傷值。系統(tǒng)初始值均為1，即當(dāng)累積損傷達到1時出現(xiàn)疲勞破壞，當(dāng)里程及年限值為1時，計算結(jié)果中顯示的年運行里程(或次數(shù))及考核年限(或次數(shù))為疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)值。

(6)疲勞計算結(jié)果后處理模塊：該模塊主要用于計算結(jié)果后處理及結(jié)果數(shù)據(jù)的維護。運行疲勞計算結(jié)果功能，會得到一個工況或全部工況的疲勞計算結(jié)果，用戶可選擇相應(yīng)的焊縫編號，單獨顯示該條焊縫的計算結(jié)果，運行Excel及TXT功能輸出相應(yīng)工況的計算結(jié)果。

在平臺模塊基礎(chǔ)上，增加焊接質(zhì)量評估功能模塊，各功能模塊通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相互作用，共同完成了系統(tǒng)平臺的組成要素。

3.1 軟件框架搭建

根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析，定義了7個主要功能模塊，包括：名義應(yīng)力法疲勞計算模塊、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法焊縫疲勞壽命計算模塊、系統(tǒng)載荷譜數(shù)據(jù)管理模塊、傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)S-N數(shù)據(jù)庫及主S-N參數(shù)定義子模塊、疲勞損傷評估計算模塊、應(yīng)力因素計算模塊、疲勞計算結(jié)果后處理模塊,軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 軟件技術(shù)框架及流程

結(jié)合軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，該軟件系統(tǒng)劃分的主要技術(shù)框架及分析流程如下：

(1)焊接接頭幾何定義。

(2)疲勞載荷獲取(車體—EN12663；轉(zhuǎn)向架—UIC515)。

(3)焊接接頭有限元模型創(chuàng)建與求解。

(4)基于子結(jié)構(gòu)技術(shù)名義應(yīng)力計算。

(5)焊接接頭靜強度評估。

(6)基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的接頭焊縫應(yīng)力集中系數(shù)計算[10](ASME-2007、Ansys+SCF數(shù)據(jù)庫)。

(7)基于名義應(yīng)力法的疲勞強度評估(英國BS-7608；德國DVS；IIW-2008等)。

(8)基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法焊接接頭疲勞強度評估。

(9)應(yīng)力狀態(tài)的確認(EN15085)。

(10)安全等級的確認(EN15085)。

(11)焊縫質(zhì)量等級的確認(EN15085)。

(12)焊縫檢查等級的確認(EN15085)。

(13)焊縫缺陷評價等級的確認(EN15085)。

(14)名義應(yīng)力S-N曲線數(shù)據(jù)庫(BS-7608；DVS；IIW-2008等)。

3.3 疲勞計算結(jié)果后處理

該模塊主要用于計算結(jié)果后處理及結(jié)果數(shù)據(jù)的維護。運行疲勞計算結(jié)果功能，會得到一個工況或全部工況的疲勞計算結(jié)果，通過對焊縫編號，可單獨顯示該條焊縫的計算結(jié)果。

4 焊接結(jié)構(gòu)平臺的具體應(yīng)用

為了對該平臺進行功能測試，將上述計算功能應(yīng)用于實際工程，所得計算數(shù)據(jù)與Fe-Weld軟件進行對比，測試軟件計算精度。通過構(gòu)建簡單焊接模型，如下圖3所示是一個簡單的薄板管件焊接模型測試模型。經(jīng)計算，測試算例Mise應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。

圖3 測試算例Mise應(yīng)力結(jié)果

圖4 測試算例Misess應(yīng)力結(jié)果

使用上文所述的開發(fā)軟件WELD-CODE測試算例并與Fe-Weld計算的數(shù)據(jù)進行對比，得出結(jié)論：同節(jié)點下結(jié)構(gòu)應(yīng)力總體誤差較小。如表2所示，最大誤差產(chǎn)生在編號1節(jié)點，誤差為4.89%，最小誤差產(chǎn)生在13號節(jié)點，誤差為0.02%。測試算例數(shù)據(jù)擬合曲線良好，證明該平臺具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 測試算例結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比

5 結(jié)論

通過對該軟件平臺項目功能、軟件算法及數(shù)據(jù)庫的研究，以鐵道車輛焊接結(jié)構(gòu)為研究載體，以EN15085標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計要求為基礎(chǔ)，嵌入當(dāng)今國內(nèi)外最先進的已經(jīng)寫進美國標(biāo)準(zhǔn)的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法，并結(jié)合有限元方法中的子結(jié)構(gòu)技術(shù)，開發(fā)完成了焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計平臺。通過對軟件平臺的實際測試與應(yīng)用，該軟件能夠快速、科學(xué)地確定焊接接頭的“應(yīng)力狀態(tài)”，計算“應(yīng)力因數(shù)”，快速確定焊縫質(zhì)量等級，并實現(xiàn)疲勞分析計算，降低設(shè)計與制造成本，提高設(shè)計效率，實現(xiàn)了基于EN15085標(biāo)準(zhǔn)的可具體操作的焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計平臺的成功開發(fā)。