公鐵兩用車車架焊縫疲勞強度評估

蓋曉東　安贊　姜青霞

摘要：采用DVS 1612標準對公鐵兩用車車架的焊縫疲勞強度進行評估，通過仿真結果顯示，對接焊縫的疲勞強度安全余量較大，角焊縫的疲勞強度相對合理。綜合評估得出，車架整體的結構設計相對保守，在后續設計過程中應盡量采用全熔透對接焊縫，這樣對車架的輕量化還有較大的提升空間，也對后續車型的結構優化具有重要的參考意義。

關鍵詞：疲勞強度;公鐵兩用車;車架;焊縫

前言

公鐵兩用車是一種既能在軌道上運行，又能在一般公路上運行的車輛，通常用于鐵路上的車輛牽引、軌道清掃、高空作業、接觸網維修等工作。公鐵兩用車車架是車體系統的重要組成部分，是車輛走行系統、牽引系統、制動系統、電氣系統、液壓系統的安裝基礎，并承載和傳遞車輛運行過程中的垂向、橫向和縱向的各種交變載荷。

在車輛實際運行過程中，由于焊縫的疲勞強度遠遠低于母材的疲勞強度，結構失效往往是從焊接部位開始，所以對高應力區域的焊縫需要進行重點關注，通常焊縫失效的主要形式為疲勞破壞。

1? 焊縫的通用評估方法

1.1 評估方法

公鐵兩用車作為公路和鐵路跨界產品，缺乏專門的標準對其進行計算及試驗，實際操作過程中，只能參照軌道車輛相關標準如EN 12663《鐵路車輛車身的結構要求》的規定，對車架在多種工況的載荷下進行強度計算，計算出主要運行工況中焊縫中的最大應力σmax、平均應力σm和應力幅值σa，然后根據S-N曲線圖來評估焊縫的疲勞壽命。

1.2 存在的問題

首先，在計算的過程中，焊縫的S-N曲線的獲取比較困難，且仿真軟件自帶的S-N曲線都是基于特定焊接接頭類型的，沒有考慮到焊縫的具體形狀，不能完全滿足不同類型的焊接結構，例如，對于不完全熔透的角焊縫，焊縫根部通常為應力集中區域，缺口效應過大。其次，不同的焊接結構導致焊縫也是千變萬化的，在以往的評估過程中，這些千變萬化的不確定因素，往往都是考慮到一定的安全系數，但這樣也導致評估較為保守，不能滿足產品輕量化的需要。

2? DVS 1612標準

2.1 標準介紹

德國焊接學會的DVS 1612《軌道車輛鋼焊縫的設計和疲勞評估》標準認為，沿焊縫方向的正應力、垂直于焊縫方向的正應力及沿焊縫方向的剪應力對焊縫的疲勞破壞起決定作用，在疲勞評估的過程中，應主要計算分析這三種應力。

在DVS 1612標準中，正應力評估曲線最多有11種，其中母材正應力的疲勞特性分為2個等級，焊縫正應力的疲勞特性分為9個等級。剪應力的評估曲線有6種，其中母材剪應力的疲勞特性為1級，焊縫剪應力的疲勞特性分為5個等級。

標準中對焊縫結構分類非常詳細，并且與焊接結構設計標準EN 15085-3《軌道車輛及其部件的焊接.第三部分：設計要求》規定的焊縫類型、焊縫質量等級是相對應的。

在DVS 1612標準中，規定各向應力應滿足以下條件：

處于多軸應力狀態的結構，其組合應力還應滿足以下條件：

2.2 焊縫類型分級

2.2.1 焊縫類型

焊縫類型的定義要根據焊縫的接頭形式和焊縫的受力方向來確定，如同樣是T型接頭，但受力方向不同，在焊縫評估時就是兩種不同類型的焊縫，應根據不同的曲線來進行。

2.2.2 焊縫質量等級

根據EN15085-3標準規定，焊縫質量等級取決于焊縫的應力等級及安全等級，共分為CP A、CP B、CP C1、CP C2、CP C3、CPD六個級別

3? 車架的焊縫疲勞強度分析

公鐵兩用車車架主要由縱梁、橫梁、支撐梁、支撐座、油缸安裝座、連桿安裝座、前后端梁及車鉤座整體焊接組成，所有材料均采用Q355耐候鋼及矩形鋼管。

3.1 車架的有限元仿真

有限元計算采用目前常用的ANSYS軟件，單位選用mm（毫米）、Kg（千克）、MPa（兆帕）、N（牛）。車架模型中，重點位置采用實體單元建立模型，其他部分采用殼單元進行離散。經過合理簡化后，對模型劃分網格，整個模型共有553165個節點和570173個單元。所有部件之間采用圖紙中規定的焊接方式進行連接，并采用標準規定的材料密度進行配重。

車架有限元模型如圖1所示：

3.2 車架焊縫的疲勞評定

經仿真計算并對焊縫上選取726個關鍵節點進行校核統計，最大應力為48.2MPa，最小應力為2.19MPa。

國外標準中S355材質屈服強度等同于國內標準的Q355材質，故采用DVS 1612標準中S355材質的MKJ圖進行評估。

評估時以前端梁與車鉤座之間的焊縫為例，在車輛運行過程中，此焊縫主要承擔車輛的縱向拉伸和壓縮載荷，作為車架的關鍵焊縫，應進行重點關注。

首先分析該焊縫的接頭形式和受力方向，焊縫屬于T型接頭，單面坡口全焊透，背部不帶墊板，焊接完成后需要進行10%的內部探傷，焊縫質量等級為CP C1級。因此根據DVS 1612標準并結合受力情況，該焊縫僅評估正應力，采用S355材質正應力E6級缺口沖擊強度曲線。經疲勞評估結果顯示，此焊縫位置的疲勞應力低于許用疲勞應力，焊縫的疲勞強度滿足使用要求。

對其余焊縫參照此方法進行疲勞評估，經疲勞評估結果顯示，本公鐵兩用車車架各焊縫的疲勞強度均滿足要求。

4? 結束語

采用DVS 1612標準對公鐵兩用車車架的焊縫疲勞強度進行評估，通過仿真結果顯示，對接焊縫的疲勞強度安全余量較大，角焊縫的疲勞強度相對合理。綜合評估得出，車架整體的結構設計相對保守，在后續設計過程中應盡量采用全熔透對接焊縫，這樣對車架的輕量化還有較大的提升空間，也對后續車型的結構優化具有重要的參考意義。

參考文獻：

[1] DVS 1612.軌道車輛鋼焊縫的設計和疲勞評估[S].2009.

[2] EN 15805-3.軌道車輛及其部件的焊接-第3部分 設計要求[S].2007.

（作者單位：中車四方車輛有限公司）