一種新的焊接構(gòu)架疲勞分析方法

摘要： 為了在多工況下進行焊接構(gòu)架多軸應(yīng)力的疲勞強度評估，在直接法和投影法的基礎(chǔ)上，將二階張量坐標變換的性質(zhì)應(yīng)用于構(gòu)架的多軸應(yīng)力疲勞評估，提出了張量法.該方法將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)換到同一坐標系和同一截面下，根據(jù)獲得的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力進行疲勞評估.以某型轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為例，建立了該構(gòu)架的有限元模型，計算結(jié)構(gòu)在多工況下的應(yīng)力，并用直接法、投影法和張量法計算了焊接構(gòu)架的疲勞強度. 通過臨界面法和Ncode軟件的計算，驗證3種方法的合理性.結(jié)果表明：考慮多軸應(yīng)力方向的張量法明顯優(yōu)于另外兩種方法，與Ncode計算結(jié)果誤差最小，為4.42%.

關(guān)鍵詞： 焊接構(gòu)架；疲勞分析；主應(yīng)力準則；多軸應(yīng)力；張量法

中圖分類號： O346.2文獻標志碼： AA Novel Fatigue Analysis Method of Welded FramesXIAO Shoune，YANG Chao，YANG Guangwu

焊接構(gòu)架在轉(zhuǎn)向架中起著極其重要的作用，承受著縱向、橫向和垂向的復(fù)合載荷，應(yīng)力分布復(fù)雜，構(gòu)架的疲勞失效對車輛的運行安全性影響極大[13].疲勞失效評估準則主要有主應(yīng)力準則、最大剪應(yīng)力準則、McDiarmid準則、BrownMiller準則和Dang Van準則[4].

疲勞壽命計算方法包括名義應(yīng)力法、熱點應(yīng)力法和缺口應(yīng)力法等[56].名義應(yīng)力法廣泛應(yīng)用于鐵路行業(yè)，并以主應(yīng)力準則和Goodman曲線作為焊接構(gòu)架疲勞強度評定的主要依據(jù)[79].目前對多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)換處理的方法主要有直接法、投影法和等效應(yīng)力法.文獻[10]中提出一種基于矢量投影的數(shù)據(jù)處理方法（投影法），詳細闡述了其原理和過程.文獻[11]中提出了一種焊接構(gòu)架疲勞強度評定的工程方法，這種方法跟投影法基本相同，但在最大主應(yīng)力的選擇上有區(qū)別.文獻[12]將多工況下的最大和最小應(yīng)力簡化為二維平面應(yīng)力狀態(tài)，用等效平均應(yīng)力和等效應(yīng)力幅評估構(gòu)架的疲勞強度.

上述方法都是為了解決主應(yīng)力在各個工況下，不同方向，將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)換為單軸應(yīng)力或等效應(yīng)力，即多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換.若以結(jié)構(gòu)某點處的微元六面體為對象，主應(yīng)力則成對出現(xiàn)，且等值反向，這些方法不能完全合理的解決多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)換的問題.

本文以張量原理為理論基礎(chǔ)，對某型焊接構(gòu)架進行疲勞分析，應(yīng)用應(yīng)力張量的性質(zhì)解決了多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題.1構(gòu)架的疲勞評估方法1.1直接法根據(jù)中國鐵路行業(yè)標準TB/T 2368—2005《動力轉(zhuǎn)向架構(gòu)架強度試驗方法》，制定構(gòu)架的疲勞載荷工況，利用有限元軟件計算出焊接構(gòu)架在各個載荷工況下的靜強度結(jié)果.構(gòu)架的受力情況復(fù)雜，應(yīng)力分布是多軸應(yīng)力狀態(tài)，要計算構(gòu)架上某位置的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，需將多軸應(yīng)力狀態(tài)等效為單軸應(yīng)力狀態(tài).

直接法就是取各節(jié)點（或單元）在所有載荷工況下的主應(yīng)力值，通過式（1）、（2）計算平均應(yīng)力和應(yīng)力幅.

5結(jié)束語針對結(jié)構(gòu)在多工況下的多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換問題，以張量原理為基礎(chǔ)，提出了張量法.利用直接法、投影法和張量法計算焊接構(gòu)架的疲勞強度，并對結(jié)果進行比較.通過臨界面法和Ncode的結(jié)果進行驗證，張量法的計算結(jié)果明顯好于另兩種方法，與Ncode計算結(jié)果的最大誤差只有4.42%，其結(jié)果更合理，符合工程應(yīng)用的要求.

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（中文編輯：秦瑜英文編輯：蘭俊思）