IIW標準對地鐵不銹鋼車體弧焊縫疲勞評估方法

劉洪濤 劉立璽 李英奎

摘 要： 國內對地鐵不銹鋼車體疲勞的研究尚處于起步階段，而國外已經建立了成熟的研究體系，特別是以IIW標準的評估方法為代表的研究，為此文章基于不銹鋼車體結構，分析闡述了疲勞中最為關鍵的弧焊縫的疲勞機理；分析IIW標準中弧焊縫疲勞評估方法，并依據標準對具體接頭類型的評估進行了闡述，文章的相關描述與結論可為進一步研究車體疲勞問題的同行提供參考。

關鍵詞：地鐵車輛；不銹鋼車體；焊縫疲勞

中圖分類號：U270.2 TH123 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）32-0060-02

1 概 述

國內對地鐵不銹鋼車體疲勞的研究尚處于起步階段，而國外已經建立了成熟的研究體系，特別是以IIW標準的評估方法為代表的研究，為此文章基于不銹鋼車體結構，分析闡述了疲勞中最為關鍵的弧焊縫的疲勞機理；分析IIW標準中弧焊縫疲勞評估方法，并依據標準對具體接頭類型的評估進行了闡述，文章的相關描述與結論可為進一步研究車體疲勞問題的同行提供參考。

2 弧焊接頭疲勞機理與評估

2.1 車體弧焊焊縫疲勞機理

地鐵車體屬于承受高靜載荷及高周循環應力的大型焊接結構，其壽命周期內的疲勞破壞主要發生在焊接接頭位置。任意焊接接頭遵循的疲勞失效模式，可以通過數學模型分析得到，包括裂紋的起始點及裂紋擴展的方向[1]。在焊趾處，應用兩個特定位置的應力，如0.4 t和1 t處的應力進行焊趾處線性外推，從而提取焊趾處的熱點應力，如圖1所示。

2.3 典型的疲勞破壞裂紋及擴展

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。基于斷裂力學理論，模式A的疲勞裂紋，取決于破壞位置截面相對裂紋平面的法向應力分布；模式B取決于給定的破壞路徑的裂紋平面法向應力分布。

與破壞模式B相比，破壞模式A的S-N數據顯示出更少的離散性。因為，可以通過計算和試驗的方法得到模式A的裂紋，而模式B的應力狀態取決于實際焊喉尺寸，試驗試件在同一條半融透焊縫內，焊喉尺寸都會發生明顯變化，所以其結果較為離散，模式B的破壞可以通過設計焊縫尺寸和焊接工藝予以避免[2]。

2.4 IIW標準（國際焊接學會）疲勞評估方法

根據S-N曲線，斷面開裂主要由疲勞失效引起，S-N曲線的表達方式具有如下形式[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，每一種疲勞極限對應圖3中相應的S-N曲線，設計過程中可用此評估FEA疲勞計算結果[1]。正常工況高周疲勞接頭S-N曲線，見表1。

3 結 語

文章分析了車體焊縫疲勞機理與評估方法，對于焊縫，一般為了提高抗疲勞能力，應根據FEA分析結果，依據焊縫的S-N曲線設計合理的接頭型式，如接頭型式更改仍然無法滿足要求，則應該局部優化結構，因此在方案設計階段應對關鍵位置的焊縫進行初步估算。一般應根據接頭的搭接類型及板材厚度，預估其適合的P-S-N曲線，使用FEA疲勞計算結果與預估線數值進行比較，進行評估，如果無法滿足要求，則應該優化設計結構，必要時進行相應的疲勞試驗，

參考文獻：

[1] A. Hobbacher Chairman of IIW Joint Working Group XIII-XV，“Rec

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[2] P. Dong， J. K. Hong， D.A. Osage， D. Dewees，M. Prager ，“The Master

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