基于FAD的鋁合金車體焊接缺陷安全性評價方法研究

劉俊杰，盧耀輝，黨林媛，肖柯宇，張德文，朱生長

（西南交通大學 機械工程學院，成都 610031）

高速鐵路在我國獲得了跨越式的發展，不僅成為當今便民出行的主要交通工具，同時帶動著國家區域經濟的發展。高速列車是高速鐵路的主體，又是保障乘行人員安全的最直接載體。因此，在國家戰略中有著重大影響力[1-2]。隨著高速列車運行速度的提高，將導致其部件承受的載荷更加復雜和惡劣，對高速列車的運行安全可靠性提出了更大的挑戰[3]。一方面，車體由鋁合金型材焊接組裝成一個整體，其焊接結構中的裂紋和缺陷經常在制造過程或檢查過程中出現[4]。有些缺陷具有尖銳的缺口，極容易導致脆性斷裂。因而具有缺陷的焊接結構實現斷裂評定是可靠性檢驗的又一道防線。另一方面，目前在軌道交通設備的疲勞評估研究中廣泛采用的方法，只能對裂紋萌生壽命進行分析，對于本身就含有缺陷的焊接結構來說，裂紋的產生則極為平常。假如評價標準是含有裂紋就要進行后一步檢修處理，就會增加車體制造成本，進而降低高速列車整體的經濟性[5]。為了保證帶裂紋焊接結構的使用安全，減少工程事故，同時減少不必要的檢修帶來的經濟損失。在評估高速列車車體時，對含裂紋工作狀態下的焊接結構進行安全性評估是科學合理的，并且具有重要意義。過往評估的實現僅僅依靠傳統的材料力學強度理論和焊接結構理論，已無法對含缺陷焊接結構的安全性作出可靠評估，基于斷裂力學的失效評定圖（Failure Assessment Diagram, FAD）方法為含裂紋缺陷結構的安全性評估提供了新的途徑。王元清[6]基于 SINTAP-FAD方法對具有裂紋缺陷鋼結構構件安全性進行了評價研究。Lie[7]等對含裂紋的壓縮天然氣瓶失效預測，采用試驗和數值模擬相結合的方式對其進行了安全性評定研究。RA Ainsworth[8]考慮約束效應，對各種管徑和不同裂紋尺寸的大型直管以及彎曲管道進行斷裂失效評估。發現約束的影響不是引發裂縫評估的主要因素，但可能對延性裂縫擴展有一些影響。楊紹坤[9]選用BS 7910標準中的2A級評定來對具有裂紋的T型板進行了安全評估研究。羅友紅[10]等基于失效評定圖（FAD），通過Monte Carlo方法計算了箱形梁的失效概率，并對其裂紋缺陷進行了概率安全評估。Xudong Qian[11]對圓形空心截面X和K接頭進行了安全斷裂評估。然而現在此類評估方法還僅僅停留在對壓力容器管道和單一承重接頭結構的評價上，在軌道交通設備的使用研究還處于探索時期，還沒有得到很好的成果，所以對車輛結構進行以斷裂力學為基礎的 FAD方法對含裂紋缺陷結構的安全性評定是有必要的。

1 FAD方法介紹

失效評估圖（FAD）是對承載結構脆性斷裂和塑性失效進行統一評估的方法。在以往對結構進行研究時，僅僅是針對單方面進行分析，沒有考慮兩個方面之間的相互關系。而該方法則將其體現出來，從而提高分析評估的準確性。兩者之間的影響通過失效評估曲線（FAC）體現，縱坐標表現的是脆性斷裂，橫坐標表現的是塑性失效，該曲線代表著失效的臨界值，如圖1所示。評估點坐標則是由進行評估點處裂紋形狀、應力狀態、結構尺寸、材料參數所決定的。其中橫坐標取決于裂紋形狀和外載荷所產生的應力狀態，而縱坐標則還需要考慮焊接殘余應力的作用影響。當評估坐標位于臨界線以內時， 該評估點所代表的裂紋尺寸則為安全，反之，則為不安全[12-14]。

標準BS7910廣泛應用于安全性評估。它由三個評估等級組成，其中一級評定為簡單評估方法；二級評定為常規評估方法，又分為2A和2B兩種評估方法；三級評定適用于延性材料。2A級評估是常規的評估方法。對于含有裂紋的給定結構部件，FAD使用兩個歸一化參數載荷比Lr和應力強度因子比值 Kr同時評估斷裂和塑性變形過程[15-16]，其表達式為：

式中：P為施加載荷；PL為極限載荷；KI為應力強度因子；Kmat是通過測量的材料斷裂韌度。

Lr也可以用式（3）表示：

式中：σref為參考應力，以方程（2）乘以屈服應力得到；σY是材料屈服應力。

Lr反映結構的塑性失效情況，Kr反映組件抗斷裂的情況，評估組件由(Lr, Kr)表示評估點坐標。

在任何情況下，FAL都遵循作為Lr函數的表達式：

創建 FAD的最后一步是在水平軸上引入一個截止值Lr,max，這代表了極限載荷標準。

2 鋁合金焊接缺陷FAD評價曲線計算

文中利用焊接接頭試樣進行拉伸試驗獲得其屈服強度和抗拉強度。因為鋁合金為無明顯屈服平臺的連續屈服材料，所以在文中選取的失效評定曲線為英國標準協會BS 7910評定標準中level 2A曲線。Lr,max為載荷比Lr的極限值，其值可表示為：

式中：σY為材料的屈服強度；σu為材料的抗拉強度。

鋁合金焊接接頭的彈性模量、屈服強度、抗拉強度分別為69 GPa、170 MPa、220 MPa，結合BS 7910評定標準中提供計算程序，可以得到鋁合金焊接缺陷FAD圖評價曲線。其標準等級為2A。如圖2所示。

3 基于FAD的車體焊接缺陷安全性評價方法

此次研究將以高速列車鋁合金焊接車體為研究對象，探討其含缺陷車體焊接結構2A級別的斷裂評定方法。并根據高速列車車體的有限元分析結果，通過焊接車體結構裂紋斷裂評定計算和失效評定圖繪制，最終評定得出該含缺陷高速列車是否仍可繼續安全服役，從而探索出一套適用于高速列車鋁合金焊接車體的斷裂評定流程和方法。基于 FAD的焊接缺陷安全性評價方法流程如圖3所示。

3.1 焊趾處表面缺陷表征當量裂紋

大型結構的輕量化設計導致鋁合金焊接結構獲得廣泛的應用，但由于鋁合金材料本身的物理特性以及焊接接頭組織性能的不均勻性，導致了焊接結構無法避免缺陷的產生。

采用基于 FAD圖的焊接缺陷安全性評價方法，需要將結構中的焊縫缺陷表征為裂紋。 由于焊接本身的性質致使所產生的缺陷類型以及尺寸各異，并且沒有辦法直接對其進行分析評價。因此，需要對這些已知的缺陷進行分類，以較為統一合理的方法進行規范化處理，以便于進一步的分析評估。為了使分析結果更具有參考價值，需要將存在于焊縫的缺陷以一定保守程度的數據尺寸來表征。

對缺陷進行表征當量裂紋，通常分為兩個步驟。第一步，確定其規則化后的缺陷形狀，對于表面缺陷來說，一般有半橢圓形和矩形。第二步，確定當量裂紋的尺寸，以規則化后的缺陷形狀沿厚度方向的最大深度為當量裂紋的長度，其在表面的最大長度為當量裂紋的寬度。

若當量裂紋的寬度為l，長度為h，則當h≤0.7t（t為材料厚度）時，若hl/2，對于斷裂評定，規則化為c=a=h的半圓形表面裂紋（如圖4b所示）； 對疲勞評定， 規則化為c=l/2，a=h的半橢圓表面裂紋（如圖4c所示）。

3.2 應力的線性化處理

在進行 FAD圖對焊接缺陷的安全評價過程中，外載荷對結構作用產生的應力和焊接時產生的自平衡殘余應力都對結構有著重大影響。因為兩者的類型不同，所以需要進行統一的處理，已達到充分考慮兩者的目的。處理方式如圖5所示。

式中：σm為一次應力的膜應力；σb為一次應力的彎曲應力；σ1為上表面應力；σ2為下表面應力。二次應力的膜應力和彎曲應力可由殘余應力結果同理計算得到。

3.3 極限工況下有限元車體計算及焊接接頭殘余應力仿真

FAD圖對焊接缺陷的安全評價過程中，所需要的一次應力、二次應力則是分別由外載荷作用產生的應力和焊接殘余應力通過應力線性化處理得到。建立有限元車體，如圖6所示，進行極限工況的加載計算，得到應力結果云圖，如圖7所示。從整車應力云圖上可以準確地找到焊縫關注點，即應力較大的焊縫關注點，并獲取其信息（材料參數、接頭形式、板厚、焊接工藝等），便于下一步建模進行焊接仿真。

根據上述信息建立焊接接頭有限元模型，通過熱彈塑性法進行焊接仿真，可得出其殘余應力的云圖，從而獲得其殘余應力的分布及數值。圖8為焊接接頭有限元模型，圖9為計算后的得到的殘余應力分布。

3.4 焊縫缺陷評價結果

在進行了上述計算的基礎上，選取兩個應力大且較為危險的關注點，如圖10所示。關注點1位置臨近窗角，存在幾何應力集中，外載荷作用下應力大，所在焊縫為對接焊縫，板厚4.5 mm。關注點2位于側墻與車頂交接處，也存在應力集中，焊縫同為對接焊縫，板厚 3.5 mm。焊縫缺陷關注點評價結果如圖11所示。

圖11中初始裂紋長度為0.5 mm，每次裂紋長度增進0.1 mm，在不同的a/c下，接近臨界線的趨勢不同。a/c越大，趨勢越容易接近臨界線。在相同的a/c下，關注點2比關注點1要較為危險。由于兩者的應力狀態接近，導致趨勢不同的主要原因在于板厚的不同。

4 結語

文中對高速列車焊接車體的斷裂安全性評估先進方法進行了仔細的闡述，對其中涉及的關鍵方法進行了總結，對高速列車鋁合金車體上焊縫薄弱點進行斷裂可靠性評價。

1）在外載荷的作用下，車體的應力集中點多處于幾何突變處，如窗角，門角等。因此，在此處的焊縫需要特別關注。

2）影響安全性評價的主要因素有裂紋長寬比a/c、應力狀態和殘余應力分布、板厚以及材料屬性。因此在進行分析時，應該充分考慮到主要因素，以保證評估準確性。

3）該方法對車體這種大型復雜焊接結構的安全性進行評價是可行的。其評估結果可以對焊接缺陷是否合于使用提出質量控制上的建議。