车体焊缝建模方法对其寿命预测的影响.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：基金项目：辽宁省教育厅面上项目（）车体焊缝建模方法对其寿命预测的影响许建鑫，杜德雷（大连交通大学高速列车服役安全关键技术铁路行业重点实验室，辽宁大连；大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连）作者简介：许建鑫，年月生，讲师，博士，电子邮箱：。主要从事研究方向：主要研究方向为轨道车辆结构仿真分析、车辆基地有机废水净化及循环利用。摘要：轨道车辆车体作为大型焊接结构，在承受复杂交变载荷时，其薄弱焊缝易发生疲劳破坏。焊缝相较于其他结构，疲劳问题更加复杂。为进一步分析焊缝的疲劳情况，采用标准中网格不敏感的等效结构应力法，对市域型车车体底架的关键焊缝进行疲劳强度评估。焊缝单元的建立对疲劳评估有一定影响，因此分别采用有焊缝单元和无焊缝单元两种建模方法，对车体关键焊缝进行细节处理，分析两种建模方法对焊缝疲劳寿命预测结果的影响。计算结果表明：两种建模方法所计算出的等效结构应力具有较强的一致性，采用有焊缝建模计算出的疲劳寿命大于无焊缝建模。关键词：轨道车辆；建模方法；底架焊缝；疲劳寿命文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，许建鑫等：车体焊缝建模方法对其寿命预测的影响，：，：，：；：（）：引言随着轨道车辆不断向轻量化、高速度的方向发展，对轨道车辆的抗疲劳性能提出了更高要求。车体作为轨道车辆的重要承载部分，实际运营时承受着复杂的交变载荷，如来自轨道不平顺的激励、两车交汇时所产生的交变载荷以及乘客频繁上下车时的交变载荷等。车体为大型焊接结构，由于焊接接头在受热、冷却、凝固过程中易在内部产生残余应力，焊接接头处的几何不连续易导致应力集中现象，以及焊接接头处易存在气孔等缺陷，使焊缝成为车体结构中的薄弱部分。因此在设计阶段对车体结构中关键焊缝的疲劳强度进行评估至关重要。在对轨道车辆车体进行虚拟疲劳试验时，国内外普遍采用的疲劳强度评估方法为应力寿命法，包括名义应力法、热点应力法、等效结构应力法等，其技术路线具有相似性。首先以对大量不同类型焊接接头进行疲劳试验获取的曲线数据库为基础，其次根据线路实测法或基于有限元理论创建车体疲劳强度评估模型，获取车体中关键焊缝的动应力谱，在此基础上选取相应的曲线进行疲劳寿命预测，最后基于累积损伤理论对关键焊缝进行疲劳强度评估。在现阶段有关车体焊接结构疲劳评估的研究中，多集中在车体中焊缝处应力谱的确定、疲劳评估方法的选取以及累积损伤准则的选取，忽略了车体中关键焊缝的建模方式细节问题。焊缝的类型对模型的影响、焊缝本身对结构的改变、产生的应力集中等问题，都是加强建模模拟与工程实际相贴近需解决的重要问题，是提高疲劳寿命预测精准度的基础。本文以市域型车车体为研究对象，针对车体底架关键焊缝，采用网格不敏感的等效结构应力法，以是否创建焊缝单元两种建模方法，对其进行疲劳强度评估，分析不同建模方法对计算结果的影响。等效结构应力法等效结构应力法（主曲线法）是以焊趾截面处所定义的结构应力为参数的疲劳评估方法。结构应力给出了焊趾截面上的应力分布状态，清楚地表达了外载荷在焊趾处引起的应力集中程度，将焊趾截面的结构应力作为裂纹扩展的驱动力，在此前提下基于断裂力学理论求得焊缝裂纹扩展的应力强度因子，考虑母材板厚、弯曲比等影响，得出等效结构应力，由主曲线方程来计算疲劳寿命，最后基于累积损伤理论来评估疲劳强度是否铁道技术标准合格。结构应力的计算焊接接头在外载荷作用下，其焊趾截面应力分布是非线性且不易求解的。可将焊趾截面实际应力分布分解为两部分，第一部分为只与外力相平衡的结构应力；另一部分是与焊接接头内部残余应力相平衡的缺口应力，焊趾应力分解示意图见图。图中：为板厚，；（）为方向上的切应力，；（）为焊趾截面沿方向上的应力分布，；（）为方向距离范围内的膜应力分布，；（）为方向范围内的弯曲应力分布，；为切应力合力，。图焊趾应力分解示意图焊趾截面内的结构应力（）为膜应力（）与弯曲应力（）的矢量和，其中：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为延轴方向的线力，；为绕轴方向的线力矩，。以单个壳单元为例计算单元中垂直于焊线的结构应力，单元示意图见图。图单元示意图基于有限元法计算得到单元节点、的在方向的节点力、以及节点、的绕轴的弯矩、。根据单元力和弯矩的平衡方程为（）（）（）式中：为下方向单位长度，；为方向节点的节点力，；为节点的绕轴距离，；（）为单元内受力路径函数。求解方程组可得节点、的线力、，节点、的线力矩、分别为 （）（）联立式（）、式（）、式（）可得节点及节点的结构应力、为 ()（）当将一条焊线划分为个单元，焊线上相邻节点的距离为至，见图。图多节点单元示意图根据力的平衡方程求得各节点力与线力的关系为许建鑫等：车体焊缝建模方法对其寿命预测的影响，（）()()（）各节点的结构应力维列向量可以以各节点力、力矩的维列向量来表示：()（）基于结构应力的寿命计算基于对焊接接头大量疲劳试验数据分析，以板厚的为特征深度，将其疲劳裂纹扩展过程区分为两个阶段，当裂纹深度小于板厚时将裂纹定义为短裂纹，当裂纹深度大于板厚时为长裂纹。将缺口应力强度因子放大系数引入裂纹扩展公式，采用统一的公式来表示裂纹的两个扩展阶段。（）（）（）式中：为疲劳裂纹扩展速率；为缺口应力导致的应力强度因子放大系数；为无缺口效应作用下的应力强度因子变化范围；、为试验常数。对式（）进行积分，可以得到裂纹萌生至疲劳失效时的疲劳寿命为（）（）（）（）（）（）其中与无量纲函数（）分别为槡（）（）（）（）（）（）()()()（）式中：为弯曲比；为裂纹深度，；为膜应力变化范围，；为弯曲应力变化范围，；（）、（）分别为膜应力和弯曲应力单独作用时确定应力强度因子范围的无量纲函数。令：（）（）（）对式（）进行修正得到焊接接头基于等效结构应力的疲劳寿命为：（）（）式中：为裂纹扩展指数，取值；、为试验常数，等效结构应力的主曲线将同种材料不同形式的焊接接头统一到一条窄带中，以拟合铝合金主曲线。标准中以铝合金为母材的焊接接头在不同置信度下的主曲线试验常数见表。表铝合金主试验常数统计数据中值 车体疲劳强度评估 焊接接头建模方法轨道车辆车体中焊缝类型有搭接、对接以及角接，其中底架牵枕缓结构为车体的主要受力部位，且牵枕缓结构中以角接焊缝为主。下面以型角焊缝为例，阐述两种不同的建模方法，型角焊缝结构的实体模型见图。图 型角焊缝实体模型以四节点壳单元对型角焊缝进行网格划分，采用等效结构应力法评估焊接接头的疲劳强度时，铁道技术标准需在焊缝的焊趾处定义焊线及焊接区域单元。本文对是否创建焊缝单元对疲劳评估结果进行讨论，型角焊有限元模型见图。图 型角焊有限元模型 车体有限元模型的创建市域型车车体采用高强度铝合金板材与闭口铝合金中空挤压型材焊接而成，其材料的泊松比为，弹性模量为。车体板材与型材结构符合薄板特点，因此采用边长为 的壳单元（），以四边形单元为主，三角形单元为辅进行整车的网格划分。车钩座是车体间相互链接的重要位置，是底架受压缩拉伸的主要部件，同时，车钩座相对其他部位，具有更多的焊接接头，结构突变位置更多，更易出现应力集中效应，对实验结果的影响体现将会较为明显，因此，焊缝主要选取在底架的车钩座主要受力部位的条关键焊缝，以创建焊缝单元与不创建焊缝单元两种建模思路进行网格划分，整车有限元模型见图，底架关键焊缝位置见图。车体疲劳评估工况采用 标准中的惯性加速度载荷，疲劳载荷工况见表，作为对车体进行疲劳评估的外载荷。对客车车体垂向施加次振图整车有限元模型图底架关键焊缝位置动加速度值为（）变循环的载荷、纵向施加次振动加速度值为 的交变循环载荷、横向施加次振动加速度值为 的交变循环载荷。表疲劳载荷工况疲劳工况工况名称载荷垂向振动（）横向振动 纵向振动 在运用有限元法对客车车体进行虚拟疲劳试验时，可将上述疲劳载荷工况进行归纳，以惯性加速度范围值替代惯性加速度，从而在计算结果直接获取评测点的应力变化范围值。在不考虑垂向 的变动载荷时可将以上种疲劳工况归纳为，对客车车体垂向施加次振动加速度值为 变循环的载荷、纵向施加次振动加速度值为 的交变循环载荷、横向施加次振动加速度值为 的交变循环载，归纳后的疲劳载荷工况见表。许建鑫等：车体焊缝建模方法对其寿命预测的影响表归纳后的疲劳载荷工况疲劳工况工况名称载荷垂向振动 横向振动 纵向振动 疲劳强度评估结果在车体有限元模型中施加疲劳评估工况，根据有限元计算结果，提取所定义焊线的节点力，并计算焊线处的结构应力以及等效结构应力。（因篇幅所限）计算得到的焊缝与焊缝的等效结构应力变化范围值见图。由图可知，在不考虑焊缝热应力的情况下，焊缝单元结构简化，焊缝及焊缝在种工况下的两种建模方式计算的应力分布较为一致，有焊缝单元的部分区域的应力变化波动较为明显，但应力变化范围较小。而焊缝的等效结构应力变化范围值决定了其在该疲劳工况下的寿命。由焊缝处等效结构应力计算结果得出，由等效结构应力计算结果，选取置信度为的铝合金主曲线，根据式（）计算各焊缝在疲劳工况下的寿命以及累积损伤公式计算其损伤比，疲劳寿命计算结果见表。不同建模方式的寿命计算结果见图。图焊缝与焊缝的等效结构应力变化范围值 表疲劳寿命计算结果焊缝有焊缝建模无焊缝建模疲劳寿命累积损伤比疲劳寿命累积损伤比 由表可知，在惯性加速度疲劳工况下，使用壳单元模拟焊缝相较于不模拟焊缝，所计算出的疲劳寿命高。在使用壳单元来模拟焊缝时，对比不模拟焊缝，在一定程度上提高了焊缝局部结构的刚度，使焊缝处的应力集中现象得到缓和，导致在模拟焊缝时所预测出的疲劳寿命较大。由图可知，两种不同建模方式下焊缝的疲劳寿命计算结果相差很小，因为所建焊缝单元本身对整车有限元模型的刚度影响小，继而对所定义焊线处节点力的计算结果影响小，导致两种建模方法所计算出的寿命结果相近。铁道技术标准图不同建模方式的寿命计算结果结论本文以市域型车车体为研究对象，在评估底架关键焊缝疲劳强度时，通过比较不同建模方法下的焊趾处等效结构应力状态、疲劳寿命以及损伤比，来分析不同建模方法对其寿命预测结果的影响。（）由实验结果可知，焊缝疲劳寿命在两种建模方式下所预测的焊缝寿命相近，并且有焊缝建模的单元疲劳寿命偏长，因此，结合应力分布图，可得出结论，焊缝所受应力更加复杂多变，但小于应力集中对模型的影响，提升结构疲劳寿命从减小应力集中效果更加明显。（）无焊缝建模设计的安全余量更大，但是从结构整体的计算精度和安全评估考虑，有焊缝建模可以更加合理分配车体资源利用，进一步提高车体安全标准。参考文献：侯博高速动车组车体作用载荷谱研究 成都：西南交通大学，宇永福焊接结构制造 北京：机械工业出版社，兆文忠，李向伟，董平沙焊接结构抗疲劳设计理论与方法北京：机械工业出版社，：，：（）：，（）：谢素明，时慧焯，李娅娜，等基于标准的提速客车转向架焊接构架疲劳寿命预测大连铁道学院学报，（）：陈秉智，何正平，李向伟，等某构件焊缝疲劳开裂的寿命预测方法应用对比 焊接学报，（）：，来亚南 型车车体疲劳寿命分析机械设计与制造，（）：卢耀辉，冯振，曾京，等高速列车车体动应力分析方法及寿命预测研究 铁道学报，（）：周张义高速货车转向架焊接部件疲劳强度研究成都：西南交通大学，张凤梅高速列车车体抗疲劳性能研究大连：大连交通大学，兆文忠，魏鸿亮，方吉，等基于主曲线法的焊接结构虚拟疲劳试验理论与应用 焊接学报，（）：，耿烽，左言言，李树栋铝合金型地铁轻量化车体结构与有限元建模 制造业自动化，（）：，：，责任编辑：张航