復雜焊接結構焊縫強度評估方法及應用

薛寧鑫，程亞軍，張春玉

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

焊縫抗剪強度是焊縫強度設計的關鍵，需要結合被焊接件的材料性能，焊縫填充材料的強度，被焊接件的幾何尺寸以及受力方式確定焊縫尺寸.由于角焊縫應力狀態復雜，為簡化工程設計目前大多標準和文獻給出了簡化的抗剪強度的計算公式，用于指導焊接接頭設計［1-5］.聶春戈等人［6-7］，BEN KATO 和 KOJI MORIT［8］通過分析焊縫結構受力模式給出焊縫抗剪能力計算公式，研究了角焊縫裂紋產生的位置及機理;德國FKM規范［9］給出了通過名義應力方法校核焊縫強度計算公式;M.A.WEAVER［10］通過有限元分析方法研究了焊縫受力情況并結合焊縫參數給出了焊縫強度校核方法.以上研究均基于焊縫和母材等強考慮并采用簡單受力的結構進行研究，通過理論分析對結構進行強度驗證.本文在此基礎上，基于軌道車輛車體強度有限元分析結果，將有限元分析與理論公式結合起來，設置快速分析程序高效的評估大量復雜焊接接頭尤其未焊透的角焊縫評估，并提出搭接接頭評估的特殊性.

1 焊縫強度計算方法

無論角焊縫還是部分焊透的對接焊縫，載荷的傳遞均通過焊喉最小截面，設計時通過將焊喉最小截面上的應力與焊接填充材料的剪切許用應力進行比較確定焊縫參數［5］，這就需要對焊喉的受力進行詳細分析從而確定焊喉截面的應力狀態，并基于以下假設:

(1)在焊縫拉伸面的方向應力分布均勻;

(2)應力分布在焊縫斷裂前保持不變;

(3)當剪應力達到焊縫材料拉伸強度的某一比例時焊縫斷裂，一般為拉伸強度的1/倍.

結合以上假設，文獻［5，7］分別給出了笛卡爾坐標系和極坐標系的公式，通過求極值確定正面角焊縫的危險截面(或斷裂截面)大致在π/8或22.5°左右，結合假設(3)可以確定焊縫與母材等強度設計時焊縫設計參數.

該方法僅考慮焊喉截面位置占主導的剪應力影響，實際上在焊喉截面既承受剪應力也承受正應力，對焊縫的失效也產生一定的影響.焊縫局部受力分析如圖1所示.

圖1 焊縫局部受力分析

德國FKM規范［9］考慮了焊喉危險截面的剪應力和正應力，將兩者的合成應力評價焊縫靜強度，并給出了焊縫的靜強度公式.規范中的方法也是基于理論方法將焊縫危險截面的剪應力和正應力根據材料力學公式計算得到危險截面的合成應力.之后，結合焊縫材料的抗拉強度，一般取1/倍的焊縫材料抗拉強度［8］，確定焊縫是否滿足要求.FKM規范的計算方法如式(3)所示，以圖2所示結構為例.

焊縫法向載荷的利用度:

焊縫彎曲載荷的利用度:

名義法向應力合成利用度表示為:

焊縫剪切載荷的利用度:

焊縫扭轉載荷的利用度:

名義剪應力合成公式可以表示為:

危險截面的合成利用度則可表示為:

其中:X，Y，Z為焊縫局部坐標系分量;Szd為法向應力(由法向載荷Fzd求得);Sby，Sbx為彎曲應力(由彎矩載荷 Mby，Mbx求得);Tsy，Tsx為彎曲應力(由剪切載荷 Qsy，Qsx求得);SSK，zd，SSK，by，SSK，bx，SSK，sy，SSK，sx，SSK，t為組件許用應力(由屈服強度，壓縮強度系數，剪切系數，截面系數和有效軟化系數合成);jges為總體安全系數.

一般情況下，作用在焊接接頭的扭矩和某一方向彎曲載荷產生的應力很小，為工程應用簡化也可以僅考慮載荷4個分量引起的應力，即一個焊縫法向載荷和彎曲載荷產生的正應力，兩個剪力引起的剪切應力.

圖2 焊縫斷面受力

圖3 有限元分析示例

本文主要基于焊縫斷面的受力分析，借助有限元分析方法對焊縫強度進行評估，通過直接提取有限元應力結果，將應力結果結合材料力學公式換算為焊縫單位長度載荷結果，之后通過載荷結果再分析焊縫實際應力評估焊縫強度，快速評估的流程如下:

(1)建立快速評估程序，在有限元模型中，按照焊縫編組建立節點組和對應局部坐標系，按照局部坐標系批量提取有限元結果進而快速分析;

(2)通過有限元分析，給出每個節點上、下表面的應力，并轉化為局部坐標系下的應力;

(3)基于局部坐標系下的應力，通過轉化公式得到焊縫位置的單位長度的法向載荷、彎曲載荷和剪切載荷;

(4)通過材料力學公式，結合初始焊接參數(雙面角焊縫、單面開坡口角焊縫，單面角焊縫等)，計算焊縫應力，并與許用應力進行比較，之后通過所期望的應力水平或利用度優化所需的焊喉尺寸.利用度為計算應力比許用應力.

方法的關鍵是將有限元直接輸出的應力轉化為焊縫的單位載荷，以圖3中的結構為例，假設被連接板厚為t，節點14的局部坐標系輸出的應力結果 分 別 表 示 為:fNorm_top，fNorm_botfShear_ZY_top，fShear_ZX_top，fShear_ZY_bot，fShear_ZX_bot，式(3)中的焊縫處單位長度的真實載荷 Fzd，Mby，Qsy，Qsx可通過輸出的應力和被連接件厚度得到:

注:有限元輸出的正應力已經包含了Mbx的影響，剪應力包含了扭矩Tt的影響，通過應力換算單位載荷時不需要考慮這兩種載荷模式的影響.

2 軌道車輛車體建模

2.1 焊縫建模對應力提取影響

軌道車輛車體有限元建模時，一般采用殼單元建模且焊縫細節(焊縫幾何)不模擬出來，這種方法對完全焊透的焊縫可以精確模擬，但對部分熔透的焊縫，分析結果是不保守的.對于滿焊的弧焊縫可以認為焊縫與母材等強度，直接通過有限元方法讀取結構應力進行判斷是否滿足強度要求.對于部分焊透的焊縫，由于應力對網格敏感性，且焊接接頭通常是將兩種不同屬性和材料聯系到一起，在交界面處應力的不連續特征，通過有限元結果無法直接判斷是否滿足強度要求，需要根據有限元分析得到結構的實際載荷，采用理論方法進行校核.

2.2 車體建模

車體有限元建模，尤其不銹鋼車體建模時，不僅要考慮弧焊、點焊、甚至激光焊連接關系，而且需要根據車體在不同載荷狀態下各結構的接觸關系進行有限元建模;另外，建模時需要根據強度、疲勞評估的方法確定不同位置的單元大小以及根據加載與邊界條件位置進行離散.基于以上考慮，車體建模及采用的單元類型如表1所示，采用Hypermesh及Ansys軟件分別進行前后處理和求解，全車共劃分網格約293萬，其中殼單元約200萬，實體單元約63萬，具體網格類型和數量見表1所示.

表1 車體仿真分析采用單元類型

2.3 搭接焊縫評估特殊性

在軌道車輛車體焊接結構中，搭接接頭屬于常見的焊縫類型之一，但是由于在使用殼單元建模時，單元在板的中面位置，所以在有限元結果中帶來了更多的彎矩影響，此處的彎矩對于實際情況是不真實的，在理論計算時需要忽略彎矩帶來的影響，從而得到更加準確的計算結果.

按照同樣的幾何形狀和尺寸，分別使用殼單元及實體單元建立模型，模型如圖4所示，使用相同的邊界條件，提取結果進行對比，結果如表2所示，由表中數據可知，在使用殼單元建模時，評估忽略彎矩時利用率為0.80與實體單元建模利用率0.73相近，更加準確.

圖4 有限元模型

表2 計算結果對比 MPa

2.4 車體載荷

軌道車輛設計過程中，車體強度一般需要滿足特定的標準或業主的特殊需求，有時需要根據車輛特殊運行的線路和條件進行設定.載荷工況一般由車輛生產制造過程中的載荷工況:比如振動、車輛連掛、曲線通過、車輛加速或制動、乘客上下車、大風載荷等，車輛運營過程中的載荷工況，車輛維護維修過程中的載荷工況，車輛在運行故障或翻車、脫軌甚至爆炸等事故過程中的異常載荷工況、車輛疲勞載荷工況等構成.主要載荷工況一般有20～30種，有時考慮業主特殊需求，也可能有70～80種載荷工況.不失一般性，本文根據ASME RT 2-2014標準，選取車輛前端防撞柱壓縮工況對關鍵焊縫進行分析，工況加載方式如圖5所示，載荷大小如表3所示.

表3 典型載荷工況

圖5 防撞柱壓縮工況加載示意圖

3 焊縫強度評估

3.1 焊縫強度評估位置

由于車體結構的復雜性，整車級復雜焊縫數以千計，為了滿足工程需求需要使用快速分析程序進行評估.本文按照焊縫重要等級，僅選取車體前端兩條重要焊縫進行評估，焊縫1為防撞柱根部與防爬器連接位置，焊縫2為防撞柱與司機室小橫梁連接位置，如圖6、圖7所示.焊縫1為單面開坡口角焊縫、焊縫2單面角焊縫.

圖6 前端結構

圖7 前端放大圖

3.2 焊縫類型及參數

根據兩條焊縫的被連接件板厚，所評估的兩條焊縫的焊喉面積、慣性矩及截面模量參數參考文獻［10］.焊縫材料采選用AWS D1.1/D1.1 M:2015 Annex T中分類A5.28的ER80S-G，拉伸極限強度為550 MPa，焊縫許用應力采用1/的拉伸強度，即317.55 MPa.該工況下按照許用應力的為0.9*317.55=285.8 MPa.圖8和圖9分別為被評估兩條焊縫的有限元模型節點編號.

圖8 防撞柱根部與防爬器連接位置節點編號

圖9 防撞柱與司機室小橫梁連接焊縫節點編號

3.3 焊縫強度分析結果比較

兩條焊縫設定的工況下焊縫評估結果:初始參數下焊縫1最大利用度為1.09，因為防撞柱根部承受彎矩，結構在圓弧處剛度突變，最大利用度發生在防撞柱根部接近圓弧處，焊縫2最大利用度為1.41，發生在防撞柱與橫梁圓弧交接應力集中處，需要在設計過程中尤其注意.兩條焊縫設計的強度均不滿足該工況下強度要求，需要進行優化.通過將焊縫1焊角尺寸由18 mm增大至20mm后，焊縫最大利用度降為0.90.焊縫2焊角由4 mm提高至6 mm后，焊縫利用降為0.77，滿足強度設計要求，如果需要更加保守的結果還可以通過合理的工藝將焊角增大或者采用滿焊工藝等.焊縫焊角尺寸的提高可以通過開坡口或增加焊角尺寸至最大工藝許用尺寸，降低焊角尺寸可以采用更加簡單的工藝或不開坡口等方法.

4 結論

(1)結合有限元方法與德國FKM規范，給出復雜焊縫強度評估方法，并編制快速分析程序，可高效評估軌道車輛車體復雜焊縫;

(2)通過與實體搭接接頭模型分析結果對比，采用殼單元的模型評估焊縫強度時應忽略彎矩的影響;

(3)為了滿足車體碰撞功能需要，優化地鐵車體焊縫參數:司機室防撞柱、角柱上下生根到車頂和底架，特別是與底架焊接的關鍵焊縫至少應為附加角焊縫的坡口焊;

(4)優化后的司機室前端骨架的關鍵焊縫1和焊縫2的最大利用度分別為0.90和0.77.