基于等效結構應力的鋁合金地鐵車體疲勞壽命預測

李偉偉等

摘要： 為評估某鋁合金地鐵車輛的疲勞壽命，采用美國ASME標準中的網格不敏感的主SN曲線法對該車焊縫進行疲勞壽命預測.用HyperMesh對車體進行有限元建模，并對焊縫處網格細化；用ANSYS計算焊縫處應力；運用自主開發的FEWeld軟件對其進行等效結構應力的計算和疲勞壽命的預測；對疲勞壽命不符合設計要求的結構進行改進和優化，改進后結構的疲勞壽命符合設計要求.網格不敏感的主SN曲線法具有重要工程應用推廣價值.

關鍵詞： 地鐵； 焊縫建模； 疲勞壽命預測； 有限元； 等效結構應力法； ASME標準； 主SN曲線； 鋁合金焊接結構

中圖分類號： U270.2；TB115.1文獻標志碼： B

Abstract： To evaluate the fatigue life of an aluminum subway vehicle， the weld line fatigue life of the vehicle is predicted by the meshinsensitive master SN method in ASME standard of the United States. The finite element model of the car body is built by HyperMesh and the mesh of weld lines is refined； the stress near weld lines is calculated by ANSYS； by the selfdeveloped software FEWeld， the equivalent structural stress is calculated and the fatigue life is calculated； the structures where the fatigue life cannot meet the design requirements are improved and optimized， and the fatigue life of the improved structure meets the design requirements. The meshinsensitive master SN curve method has great promotion value on engineering application.

Key words： subway； weld line modeling； fatigue life prediction； finite element； equivalent stress method； ASME standard； master SN curve； aluminum welded structure

引言

軌道車輛車體由底架、側墻、端墻、車頂和司機室等幾部分組成，一個合格的車體不僅要滿足強度和穩定性的要求，疲勞壽命也是重要指標之一.近幾年來，城市軌道疲勞失效事故時有發生，不僅影響旅客安全，還造成經濟損失.車體疲勞是一種車體焊接結構發生損傷的過程，在這個過程中，在循環載荷的作用下，即使應力低于材料的屈服極限，車體也會出現疲勞裂紋.一般來說，焊接接頭是車體結構發生疲勞破壞的薄弱環節，因此對車體結構進行疲勞評估主要是對焊接接頭進行疲勞壽命評估.

隨著高速列車和輕軌、地鐵的發展，列車的高速化和輕量化等課題越來越受到重視.鋁合金材料具有質量輕，屈服強度和抗拉強度高，耐腐蝕，以及加工性能好等優點，逐漸被廣泛應用于客車車體.鋁合金車體的主要特點包括：（1）大幅降低車體質量，同等條件大約是普通鋼質車的30%～35%；（2）鋁合金車體由大斷面鋁合金中空擠壓型材整體焊接而成，使由底架、側墻、端墻、車頂和司機室等組成的車體能夠承受橫向、縱向、垂向和扭轉等載荷.

本文以某鋁合金軌道車輛頭車為載體，對其進行有限元建模，參考EN 126631：2010標準[1]，基于ANSYS和自主開發的FEWeld軟件，計算車體在對稱載荷作用下的疲勞壽命，并比較2種方案的分析結果.結果表明：改進結構使焊縫形狀更圓滑，減少應力集中的影響，可以增加車體的疲勞壽命.

1結構應力法

結構應力法，又稱主SN曲線法、Verity方法或網格不敏感的結構應力法. [2]該方法是美國新奧爾良大學DONG Pingsha博士基于斷裂力學原理及大量焊接疲勞試驗發明的計算焊縫疲勞壽命的最新的最準確的方法.該方法采用網格不敏感的結構應力計算方法及其主SN曲線模型，可以相對準確地計算出空間任意走向的焊縫的疲勞壽命. [34]

1.1結構應力

由于焊接接頭的疲勞裂紋一般發生在焊趾處，所以研究焊趾處的應力組成極其重要.焊趾處應力由焊接引起的殘余應力和遠端外力引起的結構應力2部分組成.殘余應力在焊縫處為自平衡力，且在結構運行過程中幅值不變，所以對結構疲勞無明顯作用，而結構應力因為存在交變作用，所以是產生疲勞破壞的主要因素.[5]厚度為t的板焊趾處的結構應力分布見圖1（a），將結構應力簡化為彎曲應力σb和膜應力σm，見圖1（b）.

結構應力為

1.2等效結構應力

由于焊接結構疲勞裂紋客觀存在的特殊性，從力學機理上看，其擴展過程是與材料性能無關的純力學行為，因此焊接結構的疲勞壽命可以應用斷裂力學的理論求解. [6]用裂紋的擴展過程判定結構的疲勞強度. [5]在求解過程中定義一個概念——等效結構應力，其考慮載荷模式、板厚尺寸、焊趾缺口效應和應力集中等對疲勞壽命的影響.此外，傳統的疲勞壽命評估方法以名義應力為基本參數，但對于復雜焊接結構，不管是名義應力法還是熱點應力法，都存在焊接接頭難以分類、SN曲線難以界定的困難.結構應力法以節點力為基本參數[7]，基于節點力的計算結果對網格的敏感性比基于應力計算的低，因此節點力法的結構應力計算可實現對網格的不敏感，即對有限元網格的類型和質量要求低，在這一點上較傳統計算方法具有明顯優勢.

等效結構應力法具有更嚴格的理論基礎.其有2項關鍵技術：網格不敏感的結構應力計算和等效結構應力的轉化.這2項技術使其在疲勞壽命評估方面具有很大優勢，例如，分析部位沒有嚴格的有限元網格離散要求、焊趾熱點部位的應力計算結果精確可靠，因此疲勞強度評定和壽命預測精度較高.

4結論

通過以上分析，可以得出如下結論：

（1）對原結構進行改進，車體各部位在垂向載荷、縱向載荷和橫向載荷這3種工況作用下，疲勞壽命均大于107，表明加寬和圓滑圓角的上蓋板剛度得到協調，應力集中得到有效抑制.

（2）在機車車輛焊接結構中，疲勞破壞的原因是應力集中過于嚴重.在結構設計過程中，千方百計降低各式各樣的應力集中是提高其抗疲勞能力、增加疲勞壽命的第一要素.

（3）在產品設計階段通過有限元法對車體進行疲勞壽命評估，能夠及時發現疲勞強度的薄弱部位，是提高產品設計質量的重要環節，為車體設計的進一步改進提供一定參考.

參考文獻：

[1]EN 126631：2010Railway applicationsstructural requirements of railway vehicle bodies[S].

[2]周曉坤. 大軸重貨車部件強度分析與焊縫疲勞壽命預測[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[3]王立航， 方吉， 馬紀軍. 鋁合金車體疲勞壽命預測新方法及其應用[J]. 大連交通大學學報， 2010， 31（3）： 911.

WANG Lihang， FANG Ji， MA Jijun. Design principle and new method of fatigue life prediction for aluminumalloy carbody[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2010， 31（3）：911.

[4]何興旺. 鋁合金地鐵車體性能仿真分析[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[5]蘆旭. 基于剛柔耦合的CRH3車體振動疲勞強度分析[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[6]岳譯新， 劉永強， 李曉峰. 基于主SN曲線法的地鐵車體焊縫疲勞分析[J]. 機車電傳動， 2012（5）： 7981.

YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master SN curve method[J]. Electr Drive Locomotives， 2012（5）： 7981.

[7]王劍， 兆文忠. 基于結構應力法的焊接結構優化設計[J]. 大連海事大學學報， 2011， 37（2）： 124126.

WANG Jian， ZHAO Wenzhong. Structural stress method based optimization design of welding structure[J]. J Dalian Maritime Univ， 2011， 37（2）： 124126.

[8]李曉峰， 王宇， 李光， 等. 等效結構應力法在鐵路車輛焊接結構中的應用[J]. 大連交通大學學報， 2011， 32（4）： 2023.

LI Xiaofeng ， WANG Yu， LI Guang， et al. Application of equivalent structural stress method in weld structure of railway cars[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（4）： 2023.

[9]劉婷婷， 劉海濤， 陳秉智. 不銹鋼點焊地鐵車車體結構穩定性分析[J]. 大連交通大學學報， 2013， 34（1）： 69.

LIU Tingting， LIU Haitao， CHEN Bingzhi. Structural stability analysis of weld stainless steel subway car body[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2013， 34（1）： 69.

[10]李婭娜， 藍志峰. 基于等效結構應力法的電機機座焊接結構疲勞壽命預測[J]. 大連交通大學學報， 2012， 33（3）： 1013.

LI Yana， LAN Zhifeng. Fatigue life prediction of motor base with equivalent structural stress method[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2012， 33（3）： 1013.（編輯于杰）

等效結構應力法具有更嚴格的理論基礎.其有2項關鍵技術：網格不敏感的結構應力計算和等效結構應力的轉化.這2項技術使其在疲勞壽命評估方面具有很大優勢，例如，分析部位沒有嚴格的有限元網格離散要求、焊趾熱點部位的應力計算結果精確可靠，因此疲勞強度評定和壽命預測精度較高.

4結論

通過以上分析，可以得出如下結論：

（1）對原結構進行改進，車體各部位在垂向載荷、縱向載荷和橫向載荷這3種工況作用下，疲勞壽命均大于107，表明加寬和圓滑圓角的上蓋板剛度得到協調，應力集中得到有效抑制.

（2）在機車車輛焊接結構中，疲勞破壞的原因是應力集中過于嚴重.在結構設計過程中，千方百計降低各式各樣的應力集中是提高其抗疲勞能力、增加疲勞壽命的第一要素.

（3）在產品設計階段通過有限元法對車體進行疲勞壽命評估，能夠及時發現疲勞強度的薄弱部位，是提高產品設計質量的重要環節，為車體設計的進一步改進提供一定參考.

參考文獻：

[1]EN 126631：2010Railway applicationsstructural requirements of railway vehicle bodies[S].

[2]周曉坤. 大軸重貨車部件強度分析與焊縫疲勞壽命預測[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[3]王立航， 方吉， 馬紀軍. 鋁合金車體疲勞壽命預測新方法及其應用[J]. 大連交通大學學報， 2010， 31（3）： 911.

WANG Lihang， FANG Ji， MA Jijun. Design principle and new method of fatigue life prediction for aluminumalloy carbody[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2010， 31（3）：911.

[4]何興旺. 鋁合金地鐵車體性能仿真分析[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[5]蘆旭. 基于剛柔耦合的CRH3車體振動疲勞強度分析[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[6]岳譯新， 劉永強， 李曉峰. 基于主SN曲線法的地鐵車體焊縫疲勞分析[J]. 機車電傳動， 2012（5）： 7981.

YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master SN curve method[J]. Electr Drive Locomotives， 2012（5）： 7981.

[7]王劍， 兆文忠. 基于結構應力法的焊接結構優化設計[J]. 大連海事大學學報， 2011， 37（2）： 124126.

WANG Jian， ZHAO Wenzhong. Structural stress method based optimization design of welding structure[J]. J Dalian Maritime Univ， 2011， 37（2）： 124126.

[8]李曉峰， 王宇， 李光， 等. 等效結構應力法在鐵路車輛焊接結構中的應用[J]. 大連交通大學學報， 2011， 32（4）： 2023.

LI Xiaofeng ， WANG Yu， LI Guang， et al. Application of equivalent structural stress method in weld structure of railway cars[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（4）： 2023.

[9]劉婷婷， 劉海濤， 陳秉智. 不銹鋼點焊地鐵車車體結構穩定性分析[J]. 大連交通大學學報， 2013， 34（1）： 69.

LIU Tingting， LIU Haitao， CHEN Bingzhi. Structural stability analysis of weld stainless steel subway car body[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2013， 34（1）： 69.

[10]李婭娜， 藍志峰. 基于等效結構應力法的電機機座焊接結構疲勞壽命預測[J]. 大連交通大學學報， 2012， 33（3）： 1013.

LI Yana， LAN Zhifeng. Fatigue life prediction of motor base with equivalent structural stress method[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2012， 33（3）： 1013.（編輯于杰）

等效結構應力法具有更嚴格的理論基礎.其有2項關鍵技術：網格不敏感的結構應力計算和等效結構應力的轉化.這2項技術使其在疲勞壽命評估方面具有很大優勢，例如，分析部位沒有嚴格的有限元網格離散要求、焊趾熱點部位的應力計算結果精確可靠，因此疲勞強度評定和壽命預測精度較高.

4結論

通過以上分析，可以得出如下結論：

（1）對原結構進行改進，車體各部位在垂向載荷、縱向載荷和橫向載荷這3種工況作用下，疲勞壽命均大于107，表明加寬和圓滑圓角的上蓋板剛度得到協調，應力集中得到有效抑制.

（2）在機車車輛焊接結構中，疲勞破壞的原因是應力集中過于嚴重.在結構設計過程中，千方百計降低各式各樣的應力集中是提高其抗疲勞能力、增加疲勞壽命的第一要素.

（3）在產品設計階段通過有限元法對車體進行疲勞壽命評估，能夠及時發現疲勞強度的薄弱部位，是提高產品設計質量的重要環節，為車體設計的進一步改進提供一定參考.

參考文獻：

[1]EN 126631：2010Railway applicationsstructural requirements of railway vehicle bodies[S].

[2]周曉坤. 大軸重貨車部件強度分析與焊縫疲勞壽命預測[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[3]王立航， 方吉， 馬紀軍. 鋁合金車體疲勞壽命預測新方法及其應用[J]. 大連交通大學學報， 2010， 31（3）： 911.

WANG Lihang， FANG Ji， MA Jijun. Design principle and new method of fatigue life prediction for aluminumalloy carbody[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2010， 31（3）：911.

[4]何興旺. 鋁合金地鐵車體性能仿真分析[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[5]蘆旭. 基于剛柔耦合的CRH3車體振動疲勞強度分析[D]. 大連： 大連交通大學， 2010.

[6]岳譯新， 劉永強， 李曉峰. 基于主SN曲線法的地鐵車體焊縫疲勞分析[J]. 機車電傳動， 2012（5）： 7981.

YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master SN curve method[J]. Electr Drive Locomotives， 2012（5）： 7981.

[7]王劍， 兆文忠. 基于結構應力法的焊接結構優化設計[J]. 大連海事大學學報， 2011， 37（2）： 124126.

WANG Jian， ZHAO Wenzhong. Structural stress method based optimization design of welding structure[J]. J Dalian Maritime Univ， 2011， 37（2）： 124126.

[8]李曉峰， 王宇， 李光， 等. 等效結構應力法在鐵路車輛焊接結構中的應用[J]. 大連交通大學學報， 2011， 32（4）： 2023.

LI Xiaofeng ， WANG Yu， LI Guang， et al. Application of equivalent structural stress method in weld structure of railway cars[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（4）： 2023.

[9]劉婷婷， 劉海濤， 陳秉智. 不銹鋼點焊地鐵車車體結構穩定性分析[J]. 大連交通大學學報， 2013， 34（1）： 69.

LIU Tingting， LIU Haitao， CHEN Bingzhi. Structural stability analysis of weld stainless steel subway car body[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2013， 34（1）： 69.

[10]李婭娜， 藍志峰. 基于等效結構應力法的電機機座焊接結構疲勞壽命預測[J]. 大連交通大學學報， 2012， 33（3）： 1013.

LI Yana， LAN Zhifeng. Fatigue life prediction of motor base with equivalent structural stress method[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2012， 33（3）： 1013.（編輯于杰）