不同焊縫類型對寬輪距轉向架構架疲勞分析的影響

姜錫輝

摘要：轉向架是單軌車輛核心的部件之一，承擔著車輛的牽引、制動和承載作用，直接影響到車輛運行的安全性和可靠性。其中構架又是轉向架的承載主體，傳遞并衰減輪軌與車體的振動。寬輪距轉向架構架通過焊接和大量螺栓連接，事實上，在復雜的動載荷作用下，疲勞破壞主要從焊縫和螺栓連接處開始。對于焊接結構，由于焊接接頭部位存在較大的應力集中，且常伴隨有各種焊接缺陷，因而是最容易發生疲勞破壞的區域。所以焊縫結構疲勞分析及優化在設計階段尤為重要。

Abstract： Bogie is one of the core components of monorail vehicle， which undertakes the traction， braking and load-bearing functions of vehicle， and directly affects the safety and reliability of vehicle operation. The frame is the main load-bearing body of bogie， which transmits and attenuates the vibration of wheel rail and car body. The frame of wide track bogie is connected by welding and a large number of bolts. The fatigue failure of the connection structure will affect the service life of the whole bogie. In fact， under the complex dynamic load， the fatigue failure mainly starts from the weld and bolt connection. For the welded structure， due to the large stress concentration in the welded joint， and often accompanied by a variety of welding defects， it is the most prone to fatigue failure area. For bolted connection， most of the bolt failure is fatigue failure， so the fatigue analysis of weld and bolt structure is particularly important in the design stage.

關鍵詞：轉向架構架;焊縫類型;焊縫疲勞

Key words： bogie frame;weld type;weld fatigue

中圖分類號：U260.331? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0096-02

1? 焊縫疲勞分析及優化

焊接接頭的基本形式分為對接接頭、T形接頭、角接接頭，搭接接頭四種形式。還有特殊的接頭形式。本文研究的寬輪距轉向架構架焊縫形式均為T型焊接接頭，T形接頭是一焊件端面與另一焊件表面構成直角或近似直角的接頭。這是一種用途僅次于對接接頭的接頭形式，根據單個T型接頭的焊接形式，可分為單面型焊縫、雙面型焊縫以及混合性焊縫。

1.1 單面型焊縫

單面型焊縫是指只在焊件的一面進行焊接。有單面角焊縫、HY型焊縫、HV型焊縫。

①單面角焊縫。

單面角焊縫兩焊件邊緣互相垂直，在焊件表面相交處進行焊接。屬于角焊縫類型。缺點是單面焊跟部有很深缺口，容易開裂，因此承載能力較低，但是能夠傳遞力和力矩。

②HV型焊縫。

HV型焊縫是焊件完全熔透，熔深等于母材厚度。屬于對接焊縫類型。這種焊縫形式能夠承受較大的交變載荷。

③HY型焊縫。

HY型焊縫是半熔透狀態，熔深為80%母材厚度。屬于單面角焊縫和HV型焊縫之間的焊縫類型。這種焊縫形式特點具有單面角焊縫和HV。

1.2 雙面型焊縫

雙面型焊縫是在接頭的兩側施焊的焊接。用雙面坡口形成雙面焊縫的坡口，然后焊接起來就構成了雙面焊縫。相較于單面型焊縫，雙面焊的搭接長度較短，傳力途徑沿焊件軸線，工程上優先使用雙面焊。但在焊接空間受限的情況下，會考慮用單面焊。

1.3 組合型焊縫

組合焊縫有兩類：

①一類是指由兩種不同形式焊縫所組合而成的焊縫，通常指對接焊縫和角焊縫，一般用于開坡口后進行全焊透焊，焊后形成具有一定焊腳的焊縫。

②另一類是指由兩種或兩種以上不同焊接方法在同一接頭中施焊所形成焊縫。較為常見的是HY型-單面角組合焊縫，既能傳遞力和力矩，又能承受較大的交變載荷。

2? 焊縫有限元模型建立

采用Hypermesh建立包括端梁和電機箱焊縫的有限元模型，焊縫單元采用rule單元模擬，為了模型的精確度，焊縫單元周圍不能出現三角形單元，焊縫單元的大小根據板厚來定，一般為最小板厚的2倍，對于焊縫材料，本文采用與殼單元相同的材料Q345B，局部焊縫模型如圖1所示。

3? 焊縫疲勞壽命分析

3.1 定義焊縫

在疲勞分析軟件femfat可視化模塊visualizer中進行焊縫的定義，按照T型焊縫標準定義好所有焊縫。然后保存為wdf文件導入femfat計算模塊[1-2]。

3.2 焊縫材料S-N曲線

本次計算的構架端梁、電機箱焊縫材料采用Q345B鋼，利用材料S-N曲線經驗合成技術，輸入主要參數以及材料種類后將直接得到近似的材料S-N曲線和應力極限圖[3]，如圖2所示。

3.3 焊縫疲勞分析載荷譜獲取

通過動力學仿真技術，根據重慶線當下2、3號線單軌交通軌道梁，選擇多體動力學軟件ADAMS中的A級路面，調用ADAMS中建立好的寬軌車輛動力學仿真模型，輸出滿載直線行駛工況下0-20s時間內的轉向架左右空氣彈簧座垂向、導向輪橫向以及走行輪垂向載荷時間歷程。

3.4 求解計算

在對寬輪距進行焊縫疲勞分析時，存活率設置為99%，S-N曲線采用平均應力進行修正[4]。用彎道占比20%的載荷譜。通過疲勞分析軟件femfat計算得到焊縫疲勞壽命結果如圖3所示。

3.5 焊縫疲勞優化

根據1.1介紹的焊縫形式，在疲勞分析軟件femfat可視化模塊visualizer中，對疲勞壽命最低的焊縫周圍重新進行焊縫的定義，然后將定義好的焊縫保存為wdf文件導入femfat計算模塊，繼續選擇彎道占比20%載荷譜，其它設置不變，得到焊縫疲勞壽命云圖如表1所示。將其中焊縫疲勞壽命進行比較，HV型焊縫形式的循環次數最高，為1.563108次，更能滿足轉向架構架疲勞強度要求。

4? 結論

本文以寬輪距轉向架構架為研究對象，考慮不同焊縫類型對轉向架焊接構件疲勞壽命的影響，建立了包含焊縫結構的轉向架有限元模型，通過對轉向架構架端梁處焊縫進行了優化，得出如下結論：

①HY型焊縫疲勞壽命相較于其它焊縫類型，壽命最低，為9.866×107。

②HV型T型焊縫疲勞壽命最高，為1.563×108，較原單面角型T型焊縫的疲勞壽命提高了19.96%。對實際工程優先考慮該焊縫類型具有參考價值。

參考文獻：

[1]鄧威進.基于FEMFAT的發動機BSG支架疲勞強度研究[J].湖北農機化，2019（013）：96.

[2]趙世宜.基于FEMFAT的白車身疲勞分析[J].汽車實用技術，2014（004）：84-86.

[3]陳得意.跨座式單軌車輛轉向架構架結構強度分析與優化[D].重慶：重慶交通大學，2015.

[4]杜子學，馬帥，楊震，等.跨坐式單軌車輛轉向架構架疲勞壽命預測研究[J].城市軌道交通研究，2019（8）.