基于不同評估方法的高速動車組車體結構氣動疲勞性能研究

謝素明，王家興，程亞軍，聶春戈

(1.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028；2 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發中心，吉林 長春 130062 )

列車高速穿越隧道時，動車組車體承受的氣動壓力瞬間發生相當大的變化，氣動壓力耦合到車體結構上即為結構承受的外部載荷.在已經開通的高速列車線路中，大多數線路都有數量不等的隧道，即列車在隧道內高速運行已成為常態.這種頻繁的、交變的氣動載荷為車體結構帶來了不少問題.例如，動車組車體剛度不足導致的擠壓變形問題、動車組設備層艙裙板支架焊縫的開裂問題、裙板鎖的松動問題等，嚴重威脅著列車運行的安全性.

目前，在高速列車車體結構氣動疲勞問題研究方面已經開展了不少工作，王前選等[1]利用車體交變氣動載荷試驗裝置對新造車體進行疲勞強度試驗，測得的壓力波形與現場試驗測得的車內外壓力差曲線基本吻合；張德文[2]采用順序耦合的方法研究會車壓力波對車體疲勞強度的影響，總結出在短隧道入口效應的影響下產生的氣動載荷對車體疲勞強度的影響相比于長隧道更為顯著；宋燁等[3]在氣動載荷工況與其他疲勞載荷作用下，利用Goodman疲勞極限圖來評定高速列車車體的疲勞強度，指出車體同時承受氣動載荷和縱向載荷時較為惡劣，容易在車體窗角的位置產生失效.

本文依據EN1999-1-3[4]、IIW-2008[5]及ASME-2007[6]標準中焊接接頭的疲勞評估方法，研究具有不同焊接工藝的鋁合金對接接頭的疲勞強度，總結這些方法的特點及分析步驟.在GB/T 32059-2015[7]標準中氣動疲勞載荷作用下，研究某高速動車組鋁合金車體焊接結構的疲勞性能，識別出車體疲勞薄弱部位.

1 鋁合金焊接接頭的疲勞性能分析方法

高速動車組鋁合金車體、車頂、側墻、底架部件的型材連接主要為對接接頭，如圖1所示.當前，動車組鋁合金車體疲勞設計時接頭疲勞評估方法不僅采用基于試驗數據的IIW-2008標準和EN1999-1-3標準中的名義應力法，也開始采用基于斷裂力學理論的ASME-2007標準中的結構應力法.接下來通過對鋁合金對接接頭的疲勞評估，總結上述標準中分析方法的特點與流程.

圖1 車體部件的型材對接接頭示意圖

無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭焊縫形式參照EN1999-1-3標準中的接頭類型7.3.1和7.4.1，分析接頭疲勞時，約束試樣的左端、右端承受拉力為0～6 kN.試樣及焊縫尺寸見圖2，圖中長度單位為mm.

(a) 基本尺寸

1.1 焊接接頭疲勞評估的名義應力法

依據IIW-2008標準和EN1999-1-3標準中的名義應力法對接頭進行疲勞分析時，兩個關鍵步驟是：接頭名義應力的計算和接頭S-N曲線的選取.

兩個標準中將名義應力(或標稱應力)定義為忽略焊接接頭的局部應力增長效應，在所研究的截面中計算出來的應力.利用有限元方法獲得的無墊板對接接頭區域的應力分布曲面如圖3所示，圖中曲面上應力梯度近似為零的“平坦區域”(距離焊縫1.0～1.5 mm板厚的位置)的應力為“名義應力”[8].

在EN1999-1-3標準中無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭的主要壽命次數對應的疲勞強度值見表1，對應的Δσ-N曲線如圖4所示.圖中兩接頭的Δσ-N曲線是平行的，其中：線段a的斜率m1=4.3，其方程為式(1)；線段b的斜率m2=6.3，其方程為式(2)；兩線段交點對應的壽命次數為5×106；線段c為水平直線；線段b與線段c的交點對應的壽命次數為108.

(1)

(2)

式中：γFf為荷載譜和響應分析中考慮到不確定性的分項系數(建議取值1.0)；γMf為材料和施工不確定性的分項系數(建議取值1.0)；ΔσC是2×106時的疲勞強度值，FAT=45時，ΔσC=45.0 MPa；FAT=40時，ΔσC=40.0MPa；Δσi為計算疲勞應力范圍.

在IIW-2008標準中無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭的主要壽命次數對應的疲勞強度值見表2，對應的Δσ-N曲線中兩線段的交點對應的壽命次數為107，疲勞強度值為16.4 MPa；第一段直線的斜率m1=3，第二段直線的斜率m2=22，其曲線方程為

表2 IIW-2008標準中對接接頭的疲勞參數

N=C/Δσm

(3)

式中，Δσ為計算應力范圍，C為常系數.當FAT為28時，m1=3，C=4.390×1010；m2=22，C=5.328×1033.壽命次數大于109之后曲線為水平直線.

承受疲勞載荷垂直于焊縫方向的無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭的名義應力分別為30.005 MPa和31.058 MPa，基于EN1999-1-3標準和IIW-2008標準的疲勞分析結果見表3.

表3 名義應力法的對接接頭疲勞分析結果

由表3可以看出：無墊板的疲勞壽命高于帶墊板的疲勞壽命；基于EN1999-1-3標準的無墊板的疲勞壽命約為帶墊板的疲勞壽命的1.68倍；基于IIW-2008標準無墊板的疲勞壽命約為帶墊板的疲勞壽命的1.11倍.

1.2 焊接接頭疲勞評估的結構應力法

在外力作用下，接頭焊趾假想裂紋截面上沿著厚度方向，與外力平衡的應力(膜應力σm和彎曲應力σb之和)定義為結構應力，它滿足平衡條件并可用有限元方法獲得的單元節點力計算得到.

圖5給出了接頭平面有限元模型的焊趾假想裂紋截面結構應力的數值計算過程[9]：①提取假想裂紋截面A-A外側單元的節點力，并計算截面上各節點的節點力；②同時變換A-A截面上各節點和節點力的坐標系為局部坐標系x′oy′；③基于平衡等效原理，利用節點力計算合力Fy′和相對于截面中點的彎矩Mz′，然后通過下式計算截面的膜應力和彎曲應力：

圖5 結構應力分布及數值計算過程示意圖

(4)

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有限元網格尺寸不敏感的結構應力Δσs之后，再借助大量的疲勞試驗數據修正獲得由結構應力表述的等效結構應力[8]：

(5)

其中：裂紋擴展指數m≈3.6；t為板厚；載荷彎曲比的無量綱函數I(r)采用解析法求解困難，一般通過數值擬合的方法求得.在載荷控制條件下它的擬合公式為

以等效結構應力表述的鋁材的95%可靠度-2σ的S-N曲線方程

N=(ΔSS/Cd)-1/h

(6)

式中，Cd為2 316.48，h為0.277 12.

無墊板和帶墊板接頭的結構應力隨焊縫長度的變化曲線如圖6所示.利用式(5)和式(6)計算的無墊板和帶墊板接頭的疲勞壽命次數分別為4 192 290次和 2 852 900次.

圖6 結構應力隨焊縫長度的變化曲線

1.3 名義應力法和結構應力法的比較

上述分析的對接接頭型式與承載簡單、容易確定接頭的名義應力，在標準中能夠找到完全匹配的焊接接頭，即接頭S-N曲線易于選取.然而，在工程焊接結構中因接頭形式與承載復雜很難得到接頭區域的應力曲面和接頭的S-N曲線.反觀通過有限元方法和力學分析方法得到的接頭焊趾假想裂紋截面上沿著厚度方向，與外力平衡的結構應力適用于復雜的焊接接頭形式.同時，由疲勞試驗數據驗證的基于斷裂力學的結構應力法的接頭S-N曲線唯一，可明確確定接頭的結構應力和其S-N曲線.

對比以上計算結果可以發現：三種標準的無墊板接頭的疲勞壽命次數均高于帶墊板的；基于EN1999-1-3標準的無墊板接頭疲勞壽命次數約為帶墊板的1.68倍；基于IIW-2008標準的無墊板接頭疲勞壽命次數約為帶墊板的1.11倍；基于ASME-2007標準結構應力法的無墊板接頭疲勞壽命次數約為帶墊板的1.47倍；EN1999-1-3標準的接頭壽命次數最大，結構應力法的次之，IIW-2008標準的最小.

2 動車組車體焊接結構氣動疲勞性能分析

參照GB/T 32059-2015標準確定高速動車組鋁合金車體作用于車頂和側墻外表面的兩個氣動疲勞載荷工況為：①±4 500 Pa，循環100萬次；②±6 000 Pa，循環20萬次.

2.1 名義應力法的車體薄弱部位識別

在氣動疲勞載荷工況作用下，基于IIW-2008標準與EN1999-1-3標準中名義應力法對車體焊接結構進行疲勞分析，接頭焊縫累積損傷較大的部位見圖7，相關計算結果見表4.

圖7 車體焊縫氣動疲勞薄弱位置示意圖

表4 車體氣動疲勞薄弱部位的識別結果

結合圖7及表4可以看出：焊縫Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ在兩標準中選取的接頭FAT等級是一樣的，但是焊縫Ⅰ、Ⅱ通過IIW-2008標準計算得出的累計損傷值高于EN1999-1-3標準，焊縫Ⅴ則相反.究其原因是由兩種標準的該接頭S-N曲線的差異造成的.兩標準中FAT28級接頭的S-N曲線如圖8所示，兩條S-N曲線相交于兩點，將曲線分成3個區間.焊縫Ⅰ和Ⅱ的接頭名義應力值位于①區間時，基于IIW-2008標準的疲勞壽命次數高于基于EN1999-1-3標準的，故由前者計算的損傷低于后者的；焊縫Ⅴ的接頭名義應力值位于②區間，所以基于EN1999-1-3標準的疲勞壽命次數高于基于IIW-2008標準的，故由EN1999-1-3標準計算的損傷低于IIW-2008標準計算的.

圖8 兩標準中FAT28級接頭的S-N曲線

2.2 關鍵焊縫的結構應力分析與疲勞評估

在氣動疲勞載荷工況作用下，對表4中累積損傷較大的焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ的接頭焊趾進行結構應力分析，這兩條焊縫的結構應力隨焊縫長度的變化曲線如圖9.由圖9(b)可以看出司機室側窗的立柱與地板角焊縫即焊縫Ⅱ的結構應力在立柱拐角處存在著一定的應力集中現象.

(a) 焊縫Ⅰ

選用結構應力法中的95%可靠度-2σ的S-N曲線對焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ進行疲勞分析，其累積損傷分別為0.736和0.658.與表4中這兩條焊縫的名義應力計算結果對比可知：由結構應力法得到的累積損傷低于由名義應力法得到的；由EN1999-1-3標準得到的累積損傷大于由IIW-2008標準得到的.

3 結論

(1)承受拉伸載荷的對接接頭名義應力選取位置為接頭應力曲面上應力梯度近似為零的“平坦區域”，約為距焊縫1倍板厚的距離；結構應力選取位置為接頭焊趾沿厚度方向的截面；

(2)無墊板的鋁合金對接接頭焊縫疲勞壽命次數高于帶墊板的疲勞壽命次數.基于EN1999-1-3標準的無墊板接頭疲勞壽命次數約為帶墊板的1.68倍；基于IIW-2008標準的無墊板接頭疲勞壽命次數約為帶墊板的1.11倍；基于結構應力法的無墊板接頭疲勞壽命次數約為帶墊板的1.47倍；

(3)在氣動疲勞載荷工況作用下，車體司機室側窗角焊縫、司機室與地板角焊縫等累積損傷較大；利用IIW-2008標準和EN1999-1-3標準的名義應力法評估焊縫Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ時，即使接頭的名義應力和接頭FAT等級相同，他們的累積損傷值也不同，需要結合S-N曲線共同判斷.基于結構應力法的焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ的累積損傷分別為0.736和0.658，低于由名義應力法得到的；而由EN1999-1-3標準得到的累積損傷大于由IIW-2008標準得到的.建議高速動車組抗疲勞設計時重點關注司機室區域的焊縫.