IIW標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地鐵不銹鋼車體弧焊縫疲勞評(píng)估方法

劉洪濤 劉立璽 李英奎

摘 要： 國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵不銹鋼車體疲勞的研究尚處于起步階段，而國(guó)外已經(jīng)建立了成熟的研究體系，特別是以IIW標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估方法為代表的研究，為此文章基于不銹鋼車體結(jié)構(gòu)，分析闡述了疲勞中最為關(guān)鍵的弧焊縫的疲勞機(jī)理；分析IIW標(biāo)準(zhǔn)中弧焊縫疲勞評(píng)估方法，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體接頭類型的評(píng)估進(jìn)行了闡述，文章的相關(guān)描述與結(jié)論可為進(jìn)一步研究車體疲勞問(wèn)題的同行提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；不銹鋼車體；焊縫疲勞

中圖分類號(hào)：U270.2 TH123 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）32-0060-02

1 概 述

國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵不銹鋼車體疲勞的研究尚處于起步階段，而國(guó)外已經(jīng)建立了成熟的研究體系，特別是以IIW標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估方法為代表的研究，為此文章基于不銹鋼車體結(jié)構(gòu)，分析闡述了疲勞中最為關(guān)鍵的弧焊縫的疲勞機(jī)理；分析IIW標(biāo)準(zhǔn)中弧焊縫疲勞評(píng)估方法，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體接頭類型的評(píng)估進(jìn)行了闡述，文章的相關(guān)描述與結(jié)論可為進(jìn)一步研究車體疲勞問(wèn)題的同行提供參考。

2 弧焊接頭疲勞機(jī)理與評(píng)估

2.1 車體弧焊焊縫疲勞機(jī)理

地鐵車體屬于承受高靜載荷及高周循環(huán)應(yīng)力的大型焊接結(jié)構(gòu)，其壽命周期內(nèi)的疲勞破壞主要發(fā)生在焊接接頭位置。任意焊接接頭遵循的疲勞失效模式，可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析得到，包括裂紋的起始點(diǎn)及裂紋擴(kuò)展的方向[1]。在焊趾處，應(yīng)用兩個(gè)特定位置的應(yīng)力，如0.4 t和1 t處的應(yīng)力進(jìn)行焊趾處線性外推，從而提取焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力，如圖1所示。

2.3 典型的疲勞破壞裂紋及擴(kuò)展

焊縫和接頭的疲勞裂紋，如圖2所示。焊接接頭典型疲勞破壞形式主要有兩種：一種是板破壞，圖2中稱為模式A，破壞起始于焊趾或焊根；另一種是焊縫破壞，稱為模式B，裂紋穿透焊縫融線很近的金屬材料，或者裂紋接近于熔線。基于斷裂力學(xué)理論，模式A的疲勞裂紋，取決于破壞位置截面相對(duì)裂紋平面的法向應(yīng)力分布；模式B取決于給定的破壞路徑的裂紋平面法向應(yīng)力分布。

與破壞模式B相比，破壞模式A的S-N數(shù)據(jù)顯示出更少的離散性。因?yàn)椋梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算和試驗(yàn)的方法得到模式A的裂紋，而模式B的應(yīng)力狀態(tài)取決于實(shí)際焊喉尺寸，試驗(yàn)試件在同一條半融透焊縫內(nèi)，焊喉尺寸都會(huì)發(fā)生明顯變化，所以其結(jié)果較為離散，模式B的破壞可以通過(guò)設(shè)計(jì)焊縫尺寸和焊接工藝予以避免[2]。

2.4 IIW標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)際焊接學(xué)會(huì)）疲勞評(píng)估方法

根據(jù)S-N曲線，斷面開裂主要由疲勞失效引起，S-N曲線的表達(dá)方式具有如下形式[1]：

N=■orN=■

不同接頭型式的S-N曲線，如圖3所示。

下表舉例了常見的焊接接頭的疲勞極限，每一種疲勞極限對(duì)應(yīng)圖3中相應(yīng)的S-N曲線，設(shè)計(jì)過(guò)程中可用此評(píng)估FEA疲勞計(jì)算結(jié)果[1]。正常工況高周疲勞接頭S-N曲線，見表1。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章分析了車體焊縫疲勞機(jī)理與評(píng)估方法，對(duì)于焊縫，一般為了提高抗疲勞能力，應(yīng)根據(jù)FEA分析結(jié)果，依據(jù)焊縫的S-N曲線設(shè)計(jì)合理的接頭型式，如接頭型式更改仍然無(wú)法滿足要求，則應(yīng)該局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)，因此在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)關(guān)鍵位置的焊縫進(jìn)行初步估算。一般應(yīng)根據(jù)接頭的搭接類型及板材厚度，預(yù)估其適合的P-S-N曲線，使用FEA疲勞計(jì)算結(jié)果與預(yù)估線數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)行評(píng)估，如果無(wú)法滿足要求，則應(yīng)該優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，必要時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的疲勞試驗(yàn)，

參考文獻(xiàn)：

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