某高速動車組吊裝支撐架焊縫疲勞壽命分析

王芃月，李曉峰

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

吊裝設備是鐵道車輛組成的關鍵部件之一，其設計合理與否直接影響著車輛運行安全性、平穩性和可靠性.所以吊裝設備的安全性研究刻不容緩.經過總結經驗，高速動車組的吊裝設備在設計過程中通常要考察吊掛結構本身的強度、安裝座強度、安裝座與基體的連接強度以及結構減振等因素，為確保高速動車組的運行安全，在車體設計階段，需要對較大噸位設備的吊裝結構設計慎之又慎.

針對吊裝的結構和承載特點，本文分別對某動車組TP02車車載電源和單相逆變器安裝支架有限元非線性分析，并對該動車組車載電源和單相逆變器的安裝支架進行了焊縫疲勞分析，本文闡述了一種新的疲勞壽命預測方法-美國ASME標準中關于焊接結構焊縫的疲勞壽命評估中的主S-N［1］曲線法.基于美國ASME標準預測焊接結構焊縫疲勞壽命的原理，利用主S-N曲線法對車載電源和單相逆變器的安裝支架進行疲勞評估.

1 主S-N曲線法

焊接過程中熱量產生復雜，因此，焊縫的疲勞強度比母材的疲勞強度底.由于焊縫處易出現應力集中的現象，所以焊接結構的疲勞破壞也是從焊縫處開始的.在對焊接結構的疲勞壽命研究時，必須把重點放在焊縫上;但是，焊縫疲勞壽命的可靠預測，一直是一個世界范圍內的難題.目前世界對于疲勞評估的標準主要有一下幾種，如:英國鋼結構疲勞評估標準(BS)［2］、歐洲標準(EN)［3］，或國際焊接學會標準(IIW)［4］等，雖然這幾種標準都對疲勞評估做了大量的工作，并廣泛應用于各種工程計算中，但它們所評價的都是取靠近焊縫一定距離處的標稱應力(名義應力)來計算其疲勞壽命.在實際應用中，這些標準至少有兩個局限性:①若焊接接頭的幾何形狀較為復雜、承受的外載荷比較復雜的情況下，對合適焊接接頭類型數據在標準中的匹配也較為困難，如果勉強替代，必然產生不可預測的評估偏差;②在限元法計算廣義名義應力的過程中，名義應力結果受有限元網格劃分大小的影響，會導致計算結果不唯一，疲勞評估的置信度擾動很大，因此，難于控制預測結果誤差［5］.針對名義應力法遠離應力集中的局限性，IIW給出了幾條基于熱點應力(或稱之為幾何應力)的S-N曲線數據，為了獲得應力集中，它要么通過兩個或兩個以上的名義應力向焊趾處外推，要么通過焊趾處網格細化，例如在焊趾處利用子結構技術實現網格細化，但是其工程應用的局限性同樣不可避免［6］.

焊接結構的疲勞裂紋是客觀存在的，從力學機理上看，它的裂紋擴展過程僅是與材料性能無關的一個純力學行為，因此，其疲勞壽命就可以應用斷裂力學的理論求解.該方法將焊縫焊趾上的應力分解成兩部分:①焊接工藝過程導致的非線性自平衡應力，②與外力平衡的結構應力.基于有限元法，利用焊縫上的節點力一定與外力平衡的條件求得結構應力.基于兩階段裂紋擴展模式及斷裂力學表達式，獲得了一個新的定義:“等效結構應力”［7］.在這個基于斷裂力學表達式的等效結構應力計算公式(2)中，不僅考慮了焊接接頭板的厚度影響、載荷模式影響，也考慮了應力集中的影響.以等效結構應力變化范圍ΔSs為參數的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計算公式如下:

其中，等效結構應力的計算公式為:

式(1)和式(2)中，Δσs為結構應力變化范圍，t為實際板厚與單位板厚之比，I(r)為描述載荷模式效應的函數，其中r為彎曲比，m=3.6，C及h為主S-N曲線試驗常數［6］，N為循環次數.不難看出，新定義的主S-N曲線方程與BS等標準中基于名義應力的S-N曲線方程形式上是相同的，但是，主S-N曲線方程中用變化范圍度量的等效結構應力并不是針對某一個具體的焊接接頭而提出的，它綜合反映了應力集中的結構應力、焊接接頭的板厚度、外載荷引起的膜應力與彎曲應力的比例，所以對任何走向的焊縫都有效.

2 支撐架疲勞評估

疲勞載荷為有規律的等幅循環載荷，通過有限元模型，計算出該載荷作用下的應力變化范圍Δσ，然后根據主S-N曲線法來計算疲勞壽命.這種載荷方式可以看作是疲勞載荷中的一種特殊情況.具體計算流程見圖1.

圖1 計算流程圖

2.1 支撐架焊縫評估部位有限元模型

該支撐架為焊接構架，主要由橫梁、縱向梁、測梁、車載電源安裝座、單項逆變器安裝座等部分組成.模型中以質量單元模擬車載電源(260 kg)和單項逆變器(150 kg)重量.構架結構既承受拉壓變形，又承受彎曲扭轉變形，為了計算的準確性，模型主要由四節點四邊形殼單元和八節點六面體單元組成，如圖2、3所示，其中焊縫全部離散為四節點四邊形殼單元.該車車載電源和單相逆變器安裝支架及地板有限元模型的單元總數為286728，節點總數為319022，圖中X軸為縱向，Y軸為垂向，Z軸為橫向.

圖2 車載電源、單向逆變器支架及地板整體有限元模型

圖3 車載電源、單向逆變器支架有限元模型

2.2 支撐架評估關鍵部位

根據支撐架的靜強度分析結果，綜合考慮支撐架在運營過程中的一些問題，對該支撐架取10個關鍵部位進行疲勞損傷評估，關鍵部位如圖4所示:1、3為車載電源安裝座補強板與縱向梁焊縫連接處;2、4為車載電源安裝座補強板與橫向梁焊縫連接處;5、8、9為斜拉梁與小縱梁焊縫連接處;6、7為斜拉梁與縱向梁焊縫連接處;10為吊裝安裝座連接板與橫向梁焊縫連接處.

圖4 疲勞試驗載荷作用下車載電源和逆變器支承架評估10個關鍵部位示意圖

2.3 FE－WELD軟件平臺

FE-WELD軟件是在有限元分析基礎上，基于最新的網格不敏感結構應力法原理，進行焊接結構疲勞壽命仿真分析的專用軟件.該軟件可以克服網格尺寸對應力大小的影響，而且該方法適合多種焊接接頭S-N曲線預測焊接疲勞強度，該軟件可以避免一些影響焊接接頭疲勞壽命的因素，如應力集中、接頭類型、載荷模式以及其他一些因素.

該軟件支持板殼單元、實體單元、平面應力單元、平面應變單元等多種單元類型的結構應力計算，并且可實現Ansys及Abaqus軟件有限元結果數據的提取，支持Hypermesh及Abaqus軟件的接口數據，實現了焊縫定義到焊接結構疲勞計算的一體化分析流程.

軟件系統由4個核心模塊組成，各模塊對應不同的功能操作，具體如下所示:

(1)有限元模型及載荷工況定義模塊:對有限元文件進行實時修改，選擇對應工況和載荷譜數據;

(2)焊縫定義及結構應力計算模塊:將待評估焊縫導入軟件中，輸入相應的節點號，完成對焊縫的定義，根據具體工況選擇計算參數，完成數據的設置，最后對該節點進行結構應力的計算，并快速查看焊縫所受結構應力大小;

(3)S-N數據管理及疲勞計算模塊:設置相應參數，根據上一步所得結構應力結果對焊縫進行疲勞壽命計算，得出壽命預測數據及對應的累計損傷比;

(4)數據文件管理模塊:實時將所算得數據及結構應力曲線圖導入EXCEL，便于儲存盒查看.

2.4 疲勞載荷工況及焊縫結構應力計算結果

依據《EN12663:鐵路應用——鐵路車輛車體的結構要求》，本次計算載荷工況為:

工況1:縱向(沿X方向)0.4 g的加速度;

工況2:橫向(沿Z方向)0.3 g的加速度;

工況3:垂向(沿Y方向)0.3 g的加速度;

依據支承架在橫向、縱向和垂向疲勞載荷工況作用下的有限元分析結果，提取各載荷工況節點力，之后計算各焊縫結構應力.以第7條焊縫為例進行說 明，其結構應力沿著定義好的焊縫走向，分布曲線見圖5.在圖6中，給出了3種疲勞工況下該條焊縫的應力集中情況，圖上的橫坐標表示從評估焊縫的焊線起點到焊線終點，其值與焊縫上節點位置相對應，單位為mm，縱坐標為應力分布情況，單位為MPa.根據疲勞工況有限元分析結果，提取節點力，然后計算各焊縫結構應力.

圖5 第六條焊縫位置示意圖

3 壽命計算結果分析

依據各加載階段縱向、垂向和橫向工況的各焊縫等效結構應力，分別求出焊縫在各個工況下的損傷比最大值及總損傷比的最大值，結果見表1和表2.

表1 支承架在各工況下焊縫的損傷比最大值

表2 支承各條焊縫的總損傷比的最大值

4 結論

首先，建立高速動車組支架焊縫評估部位有限元模型，基于主S-N曲線法，對焊縫結構進行了疲勞評估，最后計算得出有效疲勞損傷比遠小于1，以致于在車輛輕量化設計時可以考慮使用更輕便的材料來進行設計.雖然，文中給出的構架壽命期望估計值是合格的，但是這里給出的僅僅是設計壽命的估計值，仍需按照要求嚴格執行焊接工藝，否則壽命將會大打折扣.

［1］DONG PINGSHA.The master S-N curve method，An implementation for fatigue evaluation of welded components in the ASME B＆PV CODE，Section VIII，Division 2 and API579-1/ASME FFS-1［M］.Welding Research Council Inc.，USA，2011.

［2］British Standard Institute.BS7608-1993 Fatigue design and assessment of steel structures［S］.British:BSI，1993.

［3］AAR Manual of Standards.M1001-2007 Design Fabrication and Construction of Freight Cars Section C Part II［S］.America:AAR，2007.

［4］IIW Joint Working Group.XIII-1965-03/XV-1127-03 IIW document Recommendations for fatigue design of welded joints and components［S］.England:IIW/IIS，2003.

［5］李曉峰.基于虛擬疲勞試驗的鐵路車輛焊接結構疲勞壽命預測［D］大連:大連交通大學，2008.

［6］DONG PINGSHA.Fatigue of Welded Structures:Finite Element Based Design and Analysis Methods［R］.Lecture Report，Dalian Jiaotong University，2009.

［7］梁樹林，聶春戈，王悅東，等.焊縫疲勞壽命預測新方法及其在焊接構架上的應用［J］.大連交通大學學 報，2010，31(6):29-34.