基于結構應力法的快捷貨車焊接搖枕抗疲勞設計

魏鴻亮，牛春亮，周曉坤

(1.中車齊車集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002；2.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；3.大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023;4.中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發中心，遼寧 大連 116052)①

快捷貨運列車轉向架焊接搖枕在運用過程中承擔著載荷傳遞、方向調節和車體支撐等功能，是重要的承載體與傳力體.隨著列車運行速度的提高，這些焊接承載部件出現疲勞問題的可能性激增，嚴重威脅車輛運行安全.

由于焊接搖枕疲勞薄弱部位多為焊縫區域，所以許多學者對焊接搖枕焊縫疲勞問題開展了相關研究.孫暉東等[1]根據地鐵轉向架搖枕的承載特征，利用DVS1612標準評估了搖枕疲勞強度，并指出橫向止擋座與搖枕下蓋板焊縫的疲勞強度主要受垂直于焊縫方向的應力影響；戴鑫亮等[2]結合EN 13749:2011和UIC 515等標準，利用Goodman疲勞極限圖對懸掛式單軌轉向架搖枕母材和焊縫進行疲勞評估；Hu等[3]利用數值分析與試驗相結合的方法對高速列車鋁合金搖枕進行了失效分析與裂紋擴展壽命預測，指出焊接缺欠為搖枕的裂紋源；Cao等[4]依據相關標準載荷和承載條件設計試驗，采用聯合試驗方法深入研究列車焊接搖枕和構架強度，并依據Goodman疲勞極限圖評估了搖枕和構架母材和焊縫的疲勞性能.上述研究工作均是圍繞軌道車輛客車轉向架焊接搖枕強度問題開展的.快捷貨運列車速度與載重相對較高，應利用先進疲勞分析與設計方法對其關鍵承載焊接結構搖枕進行抗疲勞設計.

本文以快捷貨車焊接搖枕為研究對象，依據EN 13749:2011標準[5]中的疲勞載荷，利用基于斷裂力學原理的結構應力法對焊接搖枕關鍵焊縫進行結構應力分析與疲勞評估，并采用焊接結構疲勞設計方法[6]對應力集中突出焊縫的局部結構進行疲勞設計.

1 焊接結構的多軸疲勞評估方法

復雜載荷作用下，焊接結構接頭的應力特征復雜，因此，對焊接結構進行抗疲勞設計時，應考慮焊縫承受復雜應力的疲勞情況.目前，適用于軌道車輛復雜焊接結構疲勞設計標準(IIW—2015、BS 7608: 2014+A1:2015、EN 1993-1-9及ASME—2015)中同時考慮焊縫正應力與剪應力的多軸疲勞分析方法主要有名義應力法和結構應力法.

IIW—2015 和BS 7608: 2014+A1: 2015中的名義應力法均規定：當焊縫剪應力范圍大于正應力范圍的15%時，應考慮剪應力對疲勞的影響[7-8]；EN 1993-1-9中的名義應力法也給出了鋼結構、不銹鋼及無保護耐候鋼結構在同時考慮正應力與剪應力影響時的疲勞分析方法[9].由于這些標準中名義應力法對接頭疲勞評估的應力很難由有限元分析準確獲得，且標準中接頭形式和承載均相對簡單，這與工程焊接結構實際情況不一致，所以，名義應力法的應用局限性顯而易見.

結構應力法是美國ASME—2015標準中用于焊接接頭疲勞評估的方法之一.該方法首先計算接頭失效截面的結構應力，并在考慮截面厚度及載荷模式的基礎上，計算出等效結構應力，然后根據主S-N曲線計算接頭疲勞壽命.該方法具有網格不敏感、不需要選擇S-N曲線等特點，可適用于鋼和鋁焊接接頭的疲勞評估.該方法將接頭焊縫沿焊趾截面分布，對焊趾疲勞有貢獻的拉張應力定義為：垂直于焊縫的法向結構應力σs(與外載荷平衡的膜應力σm與彎曲應力σb之和)、平行于焊縫的面內剪切結構應力τs及沿厚度方向的剪切結構應力τz′,見圖1.

圖1 接頭焊縫焊趾截面的結構應力

由于軌道車輛焊接結構的失效模式主要為焊趾開裂和焊根開裂，圖1中沿厚度方向的剪切結構應力τz′通常因其數值小而被忽略.當面內剪切結構應力τs大于1/3的法向結構應力σs時，視接頭處于多軸應力狀態，應對其進行多軸疲勞評估.

疲勞分析中等效結構應力ΔSs的計算公式為：

(1)

結構應力法的主S-N曲線參數方程：

N=(ΔSs/Cd)1/h

(2)

式中:Cd及h為試驗常數.表1給出了不同概率分布下的主S-N曲線試驗參數.

表1 主S-N曲線試驗參數表

結構應力方法評估接頭疲勞的主要步驟如下：

(1)確定施加于焊接結構的所有重要載荷；

(2)利用循環計數法確定焊接接頭疲勞評估點的應力循環總次數；

(3)確定上步中已經得到的每個循環假設裂紋面的法向結構應力與面內剪切結構應力，利用這些數據，計算最大應力、最小應力、應力變化范圍和平均應力變化范圍；

(4)計算每個循環的彈性結構應力變化范圍及等效結構應力變化范圍；

(5)根據主S-N曲線和第(4)步中得到的等效結構應力變化范圍參數，計算每個循環的壽命次數；

(6)計算累積疲勞損傷.設應力循環總次數為M，第k個循環次數和壽命次數分別為nk和Nk，則累積疲勞損傷為：

(3)

2 焊接搖枕分析模型

快捷貨車焊接搖枕由上蓋板、下蓋板、腹板及加強隔板組焊而成，腹板兩側安裝有減振器座，下蓋板安裝有止擋座，兩端安裝有牽引彈簧安裝座，焊接搖枕結構模型見圖2.下心盤與上蓋板間采用高強螺栓連接，板件材料為Q345E，各種鑄件座的材料為B+級鋼.

圖2 焊接搖枕結構模型

根據EN 13749:2011標準，搖枕心盤和旁承主要承受來自車體的垂向載荷，橫向止擋座承受橫向載荷，縱向牽引彈簧安裝座承受制動縱向載荷，減振器安裝座承受橫向減振器卸荷力.這些載荷確定了7種疲勞載荷工況，見表2.

表2 焊接搖枕疲勞工況匯總

焊接搖枕主要離散為8節點六面體單元，其中焊縫也離散為實體單元.模型單元總數為558 978；結點總數為697445.搖枕進行有限元分析時在兩端彈簧座處約束橫向、縱向和垂向的線位移.

3 焊接搖枕疲勞評估

在利用表2中的疲勞載荷工況對快捷貨車焊接搖枕進行疲勞評估時，首先，由焊接搖枕焊縫的主應力分析結果確定評估焊縫位置；其次，對這些焊縫進行結構應力分析，確定焊縫的應力狀態(單軸/多軸)；最后，再對這些不同應力狀態的焊縫進行疲勞評估(單軸/多軸).

3.1 確定評估焊縫

焊接搖枕主應力分析結果表明：上(下)蓋板與腹板的焊縫、縱向彈簧座與上(下)蓋板的焊縫、橫向減振器座與腹板的焊縫、橫向止擋座與下蓋板的焊縫、旁承盒與上(下)蓋板的焊縫的主應力較大.工況1第一階段靜態載荷作用下的焊接搖枕主應力云圖見圖3.

圖3 焊接搖枕的主應力云圖

將主應力較大的焊縫和設計關注焊縫確定為焊接搖枕疲勞評估焊縫，這些焊縫的位置及編號見圖4.

圖4 1/2搖枕結構的疲勞評估焊縫

3.2 焊縫結構應力分析

在表2中的載荷作用下，對圖4給出的焊縫進行結構應力分析.焊縫 7和焊縫 13的面內剪切結構應力大于法向結構應力的1/3，其中工況1第一階段載荷的焊縫結構應力曲線見圖5，其他焊縫的面內剪切結構應力均較小.從圖中可知：焊縫 7和焊縫 13的剪切結構應力Δτk與法向結構應力Δσk滿足如下關系：Δτk>Δσk/3，因此，應對焊縫 7和焊縫 13進行多軸疲勞分析.

(a)焊縫7

3.3 焊縫疲勞評估

利用本課題組編寫的基于結構應力法焊縫疲勞分析程序，在表2中的疲勞工況作用下，對圖4中焊縫進行疲勞分析.

用98%可靠度-2σ的主S-N曲線參數，得到的基于法向結構應力的焊縫疲勞累積損傷值均小于1，其中環形焊縫11的累積損傷最大，累積損傷值為0.74.焊縫7、焊縫3、焊縫12、焊縫5和焊縫10為疲勞相對薄弱的焊縫，其累積損傷值分別為0.55、0.48、0.2、0.19和0.12.

焊縫7和焊縫13的應力狀態復雜(圖5)，在對其進行疲勞評估時應同時考慮面內剪切結構應力和法向結構應力.工況1第一階段載荷下，這兩條焊縫的單軸和多軸等效結構應力見圖6，由圖可以看出：焊縫多軸等效結構應力均大于單軸法向等效結構應力.焊縫7和焊縫13的多軸疲勞損傷值分別為0.807和0.373，均高于各焊縫單軸時的0.55和0.082.

(a)焊縫7

4 焊接搖枕的抗疲勞設計

設計焊接結構時，如果能使其焊縫應力集中保持最小，并盡可能地讓各組件以預期方式變形，而不因局部約束引入二次變形和二次應力，那么就可以獲得具有良好疲勞特征的焊接結構[8].依據這一理念，Niu等[6]提出在靜態載荷下識別焊縫的“應力集中”，進而剖析“應力集中”產生的結構設計原因，并基于剛度協調方法緩解“應力集中”的三階段遞進式焊接結構抗疲勞設計方法.該方法為焊接搖枕抗疲勞設計指明了方向.

4.1 焊縫應力集中分析及緩解

在上一節已分析出搖枕的橫向止擋座與下蓋板間的焊縫11疲勞損傷較大.從焊縫的結構應力變化曲線可以看出，有明顯的應力集中現象，焊縫結構應力的峰值為44.10 MPa，見圖7.究其原因：在垂向載荷作用下，位于焊縫11附近的下蓋板由于止擋座對其附近區域下蓋板的約束作用，導致該區域結構出現較大垂向剛度不連續，致使結構未按預期形式變形.

(a)結構應力-垂向載荷

將筋板向下平移至橫向止擋座邊緣位置(圖8(a))，保證橫向止擋座邊緣處有一定的垂向剛度依托.經分析，改進結構后焊縫11的結構應力峰值下降了16.01%(圖8(b))，在一定程度上緩解了橫向止擋座與下蓋板間焊縫局部區域的應力集中，該區域結構垂向剛度更趨于協調；焊縫的總損傷降低39.78%，有效提升了焊縫的抗疲勞能力.

(a)結構圖8 焊縫區域改進結構及結構應力曲線

(b)結構應力續圖8 焊縫區域改進結構及結構應力曲線

4.2 抗疲勞設計原則

以焊接結構設計階段獲得具有最好疲勞特征為出發點，基于三階段遞進式焊接結構抗疲勞設計方法，并結合搖枕焊縫的結構應力分析，總結出焊接搖枕抗疲勞設計的幾點基本原則：

(1)確保傳力路徑的通暢.搖枕蓋板、內部隔板和安裝座等焊接組件的布置及板厚，應充分考慮外載荷的傳遞路徑，確保結構上剛度協調且力流傳遞順暢，避免出現因傳力不順引起的應力集中現象.

(2)焊縫區域的幾何應漸變過渡.盡可能增大焊縫附近圓弧半徑，如：增加橫向減振器座和腹板間焊縫的過渡圓角，使其周邊焊縫剛度漸變，降低圓弧過渡處由幾何突變引起的應力集中的程度，提升抗疲勞能力.

(3)合理設計接頭類型.應首選應力集中系數較小的對接接頭；當不可避免地使用角焊縫時，應對角焊縫連接部件形狀進行優化設計，并盡可能使其不位于主要承載部位且要保證焊縫全熔透.盡量減少或避免焊接件間焊縫交叉.

5 結論

(1)在標準EN 13749：2011中的疲勞載荷作用下，焊接搖枕焊縫的疲勞累積損傷值均小于1.0，其中：旁承盒與上蓋板的焊縫7的累積損傷最大，值為0.807.

(2)由于焊接搖枕焊縫幾何與承載復雜，部分焊縫應力呈現多軸狀態，應進行多軸疲勞評估.焊縫13的單軸的累積損傷值僅為0.082，而多軸的累積損傷值為0.373；焊縫7的多軸的累積損傷值也高于單軸的.

(3)依據焊接結構抗疲勞設計方法有效地緩解了環焊縫11的應力集中，結構應力峰值下降16.01%、疲勞累積損傷降低39.78%，提升了焊縫抗疲勞性能.

(4)提出的抗疲勞設計基本原則既為焊接搖枕在設計階段獲得良好疲勞性能提供了技術保證，又可推廣應用于其他復雜焊接結構抗疲勞設計中.