基于主S-N曲線法的軌道車輛轉向架構架焊縫疲勞分析

彭李想

（大連交通大學研究生院，大連 116028）

軌道車輛轉向架焊接結構可靠性設計的重要指標之一是其疲勞壽命。在復雜動載荷作用下，疲勞破壞主要從焊縫開始[1]。對于焊接結構，由于焊接接頭部位存在較大的應力集中，且常伴隨有各種固有的焊接缺陷（如未熔透、氣泡、殘余應力等），因而是最容易發生疲勞破壞的區域。各焊接接頭的疲勞強度將直接決定整個焊接結構的使用是否安全。焊接結構疲勞壽命的評定主要是針對焊接接頭的疲勞強度評定?；诿x應力法的焊接結構疲勞分析的標準中，如英國的BS7608[2]，除了工程應用中焊接接頭分類難以把握外，當用有限元法計算應力時難以可靠地獲得焊縫上的應力集中，而焊縫上的應力集中對疲勞壽命的預測極其重要。

美國ASME-2007標準中的主S-N曲線法[3]通過提取有限元分析結果的節點力，并運用解析法計算焊縫處的結構應力分布，從而獲得了對有限元網格尺寸不敏感的結構應力。該方法通過對結構應力修正獲得等效結構應力，并將其作為S-N曲線參量，獲得了分布狹小的S-N曲線試驗數據，實現了以一條主S-N曲線的模型來預測焊縫的疲勞強度，很好地解決了上述兩個難題。

1 主S-N曲線法

焊接結構的疲勞裂紋是客觀存在的。從力學機理上看，它的裂紋擴展過程僅是與材料性能無關的一個純力學行為，因此其疲勞壽命可以應用斷裂力學的理論求解[1]。主S-N曲線法首先將焊縫焊趾上的應力分解成兩部分：一是焊接工藝過程導致的非線性自平衡應力；二是與外力平衡的結構應力。其次，基于有限元法，利用焊縫上的結點力一定與外力平衡的條件求得結構應力。最后，基于兩階段裂紋擴展模式和斷裂力學表達式，積分獲得了一個新的定義——等效結構應力。在這個基于斷裂力學表達式的等效結構應力計算式（2）中，不僅考慮了焊接接頭板的厚度影響和載荷模式影響，也考慮了應力集中的影響。

以等效結構應力變化范圍ΔSS為參數的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計算公式為：

式中：C、h為主S-N曲線試驗常數[4]；N為代表疲勞壽命的循環次數。等效結構應力變化范圍ΔSS的定義為：

式中：ΔσS為結構應力變化范圍；t為實際板厚與單位板厚之比；I(r)為描述載荷模式效應的函數，其中r為彎曲比；m=3.6[5]。

2 轉向架有限元模型及焊縫位置選取

本文以某動車轉向架焊接構架為研究對象，采用實體網格進行建模，有限元模型如圖1所示，包括焊縫在內的構架有限元模型的單元總數為529 999，結點總數為741 402。

圖1 轉向架焊接構架有限元模型

在構架模型中共定義了57條焊線進行疲勞損傷計算?；跇嫾苡邢拊治鼋Y果，綜合考慮焊接構架在運營過程中的一些問題，對該構架選取5條關鍵焊縫進行疲勞損傷評估。這5條關鍵焊縫均是具有代表性的構架焊接接頭，可以反映焊接構架的整體疲勞性能，詳細焊縫位置說明見表1。

表1 5條疲勞關鍵焊縫位置說明

3 疲勞載荷工況

根據EN 13749標準[6]中的相關規定，構架3階段疲勞載荷工況分為主體工況和特殊工況。主體工況主要用以評估焊接構架主體結構的疲勞強度，因此只考慮作用在構架上的主要負載，包括垂向載荷、橫向載荷（垂向和橫向載荷可以被拆分為靜態載荷、準靜態載荷及動態載荷）以及軌道扭轉載荷。根據各載荷的動力學循環次數，將動態力、準靜態力以及軌道扭曲載荷組合成主體工況。根據EN 13749標準的相關要求，轉向架構架主要工況的載荷分為3個階段施加，如圖2所示。第一加載階段的循環次數600萬次；第二加載階段的循環次數為200萬次，此場合所施加的靜態力不變，且所施加的準靜態力和動態作用力為原值乘以1.2；第三加載階段的循環次數為200萬次，除了系數1.2變為1.4外，其余同第二加載階段。

圖2 構架疲勞載荷的三階段

特殊工況主要針對只會對構架造成局部作用的載荷。由于制動裝置，抗側滾扭桿座與抗蛇行減振器會承受較大的疲勞載荷，因此特殊工況主要考慮這3種載荷。制動載荷、抗側滾扭桿載荷和抗蛇行減振器載荷總加載次數為1 000萬次，與主要工況相同，分3個階段完成，其中第1階段600萬次，第2階段200萬次，第3階段200萬次。焊接構架3階段疲勞載荷工況匯總見表2，工況1～工況4分別為主體工況、制動載荷工況、抗側滾扭桿載荷工況和抗蛇行減振器載荷工況。

表2 焊接構架3階段疲勞載荷工況

4 車體焊縫疲勞壽命預測

根據建立的焊接構架實體有限元模型，應用自主研發的焊接結構疲勞壽命仿真分析專用軟件精細評估關鍵焊縫。首先，對篩選出的5條關鍵焊縫進行疲勞損傷計算，依據各工況的各焊線等效結構應力，5條焊縫均選用97.7%可靠度-2σ主S-N曲線，計算出每一工況下在給定載荷循環次數下的疲勞損傷值Di，然后得到總損傷值D。結構應力分析結果表明：在9種3階段疲勞載荷工況作用下，5條疲勞關鍵焊縫的累積損傷中，焊縫1、焊縫2和焊縫3疲勞累積損傷較大，損傷比分別為2.690、1.570和1.410（均大于1），不符合構架的疲勞強度要求。對焊縫1累積損傷貢獻較大的是工況4，疲勞損傷為2.690。對焊縫2累積損傷貢獻最大的是工況2，疲勞損傷為1.570。對焊縫3累積損傷貢獻最大的是工況3，疲勞損傷為1.36。焊縫4和焊縫5疲勞損傷較低，累積損傷分別為0.760和0.478。表3為每條焊縫的最大損傷值詳細數值，圖3～圖7為各焊縫的位置及疲勞損傷沿焊縫走向分布曲線。

圖3 第1條焊縫焊縫位置及疲勞損傷沿焊縫走向分布曲線

圖4 第2條焊縫焊縫位置及疲勞損傷沿焊縫走向分布曲線

圖5 第3條焊縫焊縫位置及疲勞損傷沿焊縫走向分布曲線

圖6 第4條焊縫焊縫位置及疲勞損傷沿焊縫走向分布曲線

圖7 第5條焊縫焊縫位置及疲勞損傷沿焊縫走向分布曲線

表3 各疲勞工況構架焊縫的疲勞損傷值及總損傷

圖8為關鍵焊縫疲勞損傷較大工況的沿焊縫長度方向結構應力分布曲線。根據應力曲線可以確定疲勞關鍵焊縫中的應力集中區域和潛在的疲勞開裂位置。焊縫1、焊縫2和焊縫3的累積損傷相對較大，原因是這3條焊縫的應力集中區域都是靠近各自疲勞損傷較大工況的載荷施加區域。疲勞破壞現象的實質是應力集中過于嚴重導致的結果，因此在結構設計過程中千方百計地降低各式各樣的應力集中是提高其抗疲勞能力的關鍵。針對上述應力集中區域，可以通過結構優化來緩解應力集中，也可以采用焊趾改善技術（如焊趾打磨、TIG重熔等）提高焊縫疲勞壽命。

圖8 疲勞關鍵焊縫的結構應力分布曲線

5 考慮焊趾改善技術的焊縫疲勞損傷分析

對危險焊縫1、焊縫2和焊縫3采用焊趾改善技術（如焊趾打磨、TIG重熔等），以提高焊縫疲勞壽命。考慮焊趾改善技術的焊縫疲勞損傷值，如表4所示。結果表明，在4種3階段疲勞載荷工況作用下，焊縫1、焊縫2和焊縫3的累積損傷降低至0.207、0.175和0.340，說明焊趾改善技術可大幅度降低危險焊縫的疲勞損傷。至此，5條關鍵焊縫疲勞損傷均小于1，即均滿足構架的疲勞強度要求。圖9為考慮焊趾改善的焊縫疲勞損傷分布。

表4 考慮焊趾改善的焊縫疲勞損傷值及總損傷

圖9 危險焊縫疲勞損傷沿焊縫長度方向的分布

6 結語

在4種疲勞載荷工況的作用下，焊接構架焊縫壽命薄弱位置為抗蛇行減振器座與側梁上蓋板之間焊縫（焊縫1）、縱向輔助梁與橫梁連接處的焊縫（焊縫2）和牽引拉桿座與橫梁上蓋板之間的焊縫（焊縫3），其累積損傷分別為2.69、1.57和1.41，原因是焊縫位置靠近附加工況載荷施加區域。采用焊趾改善技術后，焊縫1、焊縫2和焊縫3的累積損傷降低至0.934、0.481和0.592，各關鍵焊縫疲勞損傷均小于1，滿足疲勞壽命設計要求。因此，在實際生產過程中，對3條危險焊縫區域需重點關注，在對應的施工圖紙上對危險焊縫處提高檢驗等級，尤其是焊接起弧的地方，以減少焊接缺陷，達到提高焊縫壽命的效果。綜上所述，采用焊趾改善技術以使結構之間剛度均勻過渡進而提高焊縫疲勞壽命是有效可行的方案。