车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究

1、第28卷,第3期中国铁道科学2007年5月CHINARAILWAYSCIENCE文章编号:100124632(2007)0320074205Vol128No13May,2007车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究李晓峰,谢素明,时慧焯,兆文忠(大连交通大学车辆工程CAD/CAE技术中心,辽宁大连116028)摘要:为在设计阶段实现车辆焊接结构的抗疲劳设计,在研究AAR/BS/IIW标准的疲劳算法原理和焊接接头疲劳性能参数的基础上,给出基于AAR/BS/IIW标准进行车辆焊接结构疲劳寿命评估的方法和技术路线。依据AAR标准分析某公司出口的全钢焊接结构矿石车车体的疲劳寿命,结果表明:该出口矿石车车体焊

2、接结构的最短疲劳寿命发生在中部横梁腹板与横梁下盖板角接焊接区,寿命年限为5914年,满足25年设计寿命的要求;通过与IIW标准中提供的焊接接头结构的对比分析,提出对某提速客车转向架焊接构架的定位座根部焊接结构进行打磨的改进方案。数据表明:改进方案明显提高了定位座根部焊接接头的寿命。经对比分析可以看出,基于IIW标准的焊接构架疲劳寿命预测结果与疲劳试验结果比较接近。关键词:车辆焊接结构;疲劳寿命;评估方法中图分类号:U270112文献标识码:A当前,铁路提速、重载在满足社会需求的同时,也出现了一些值得关注的问题。机车车辆许多构件,尤其是焊接转向架1,疲劳断裂,AAR2(of)/BS3/IIW4(

3、Instituteofweld2ing)标准的车辆焊接结构疲劳寿命评估的实用方法,使机车车辆焊接结构抗疲劳设计在产品的图纸上就能展开。111基于Miners线NTnNT=1/i=1Ni(1)式中:i为某一应力级占总循环的百分数;Ni为在某一应力级时将导致损坏的循环数。已知对数形式的SN曲线斜率k,就可以预测承受超过疲劳极限Se的Si的部件寿命:Ni为Ni=Ne/(Si/Se)1/k若以Smax代替Si,式(2)可写为Ni=Ne/(Smax/Se)1/k疲劳极限Se可由改进的Goodman图曲线方程得到,即Smax=Se时有Se=1-mR1疲劳寿命评估的实用方法北美铁路协会AAR标准在美国、加拿

4、大等北美国家广泛应用,该标准提供了许多货车车型的在线实测并经统计分析整理出来的载荷谱和许多焊接接头的疲劳设计数据;国际焊接学会IIW标准和英国的BS标准提供了大量的焊接工艺建议和更为丰富的钢结构和铝合金的焊接接头抗疲劳设计数据。尽管这些数据在应用中可能会遇到困难,但是从支持抗疲劳设计方案比较的角度看,它的贡献是不可代替的。例如,同一个方案中,计算疲劳寿命最短的部位一定是最值得关注的部位;计算寿命改善的方案一定是值得肯定的方案。收稿日期:2006203216;修订日期:2007201212(2)(3)式中:Si为某一应力级下部件的应力;Ne为对应Se的部件寿命;m为Goodman曲线的斜率;R为

5、应力比,R=Smin/Smax;Sb为R等于零时的疲劳极限,计算中修正的Sb与m均取自于AAR标准。而部件的寿命里程Lf为基金项目:国家“八六三”计划资助项目(2006AA04Z160);辽宁省教育厅计划资助项目(05L052),男,黑龙江齐齐哈尔人,博士研究生。作者简介:李晓峰(1972第3期车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究75Lf=1/k1/kR-1,1Simax(1-mR)(4)式中:是每英里谱总循环数。若以Lfj表示部件评估点在第j种载荷谱作用下的寿命里程,则m种载荷谱下部件评估点的寿命里程L为m1/L=1/j=11/Lfj(5)图2BS标准的SN曲线基于AAR标准对车辆焊接结构进行寿

6、命评估时,首先将预测对象离散成有限元模型,然后将从AAR标准中选定的载荷谱中的某一指定值加载到有限元模型上,获得标定的应力分布,再根据载荷谱的变化规律,获得预测对象的动应力谱;按照AAR要求,将评估点的双向应力等效处理,根据该点应力变化情况,求其循环特性,并根据评估点焊接接头几何和加载方向及焊接类型,从AAR表中选择SN曲线和Goodman图的参数,最后根据式(3)式(5)计算待评估点的寿命。112基于BS/IIW标准疲劳寿命评估的方法在BS标准中,损伤比定义为m(i>0)0107=m+2Ni(i0)0107(7)式中:0为评估点的SN曲线拐点处的应力值;m为SN曲线斜率。在IIW标准中

7、,i1)C1=2i(2i1)C2最近20余年的研究表明5,BS以及IIWSN,如图1和图21中可以看出,IW标准的SN曲线有2个拐点,标准中各种焊接接头对应疲劳强度的高低以疲劳等级(FAT)表示,它对应于循环200万次的常幅应力范围的值。图2所示BS标准的SN曲线也是以应力范围和循环数表示,且为双斜率曲线,但它没有截止线。(8)式中:1和2为评估点的SN曲线拐点处的应力值;C1和C2为常系数。则寿命总里程Lf为Lf=iNi(9)将式(7)、式(8)代入上式,即可求出2种标准下的疲劳寿命。IIW标准比BS标准更注重焊接接头细节,它的焊接接头分类更详细,前者更多地考虑了其他因素对寿命的影响,并提供

8、了相当丰富的实验数据。IIW标准给出的80种钢结构和57种铝合金焊接接头的数据中,主要是基于标称应力范围的SN曲线和少量的且主要用于管形接头的基于几何应力范围的SN曲线,只有1条基于等效缺口应力范围的SN曲线。基于BS/IIW标准对车辆焊接结构进行的寿命评估过程同AAR标准的大致相同:指定具体待评点的位置;如果有动应力实测数据,通过编谱而获得该点的应力幅值谱,如果没有动应力实测数据,有载荷谱,那么创建有限元模型,再根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值谱;根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向,在BS或图1IIW标准的SN曲线IIW和BS标准的寿命预测算法原理也是基于Miners损伤累积理论

9、。以ni表示载荷谱中应力范围为i的循环次数,则在下式情况时出现疲劳破坏。D=Nii=1(6)76中国铁道科学第28卷IIW标准中选择对应的用于建立SN曲线的疲劳相关参数;根据式(7)或式(8)计算损伤比累计;根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数,由式(9)求出寿命里程。值得注意的是:IIW标准和BS标准的焊接接头疲劳数据是基于一定条件建立的,当实际问题的条件与其不一致时,要进行相应的修正。2工程实例211基于AAR标准的货车车体疲劳寿命评估图4重车1600kN拉伸工况最小主应力云图某公司出口的矿石车车体为全钢焊接结构。对该车体进行疲劳寿命预测时,疲劳当量应力取其空、重车1600kN拉伸工况的有限

10、元结果,其1/4车体的有限元网格模型共划分了32358个单元、25270个结点。由于没有该类车辆的实测载荷谱,选用AAR标准中相近的9017t高边敞车载荷谱进行试算。经过初步计算比较,车钩力是引起疲劳破坏的主要原因,因此,车用9017t设计,万,设计寿命25年,空、重车里程比为11,即空、重车寿命总里程均为275万km,空重车年运行里程均为11万km。从疲劳计算结果分析,最短疲劳寿命发生在中部横梁腹板与横梁下盖板角接焊接区,寿命年限为5914年,满足25年设计寿命的要求。其他各点疲劳损伤值较小,具有足够的抗疲劳储备量。212基于IIW标准的焊接构架疲劳寿命评估某客车转向架焊接构架为H形,采用钢

11、板组焊结构。Ncode公司、返连续:对每一通道数据动应力经去掉毛刺、低通滤波、雨流计数后进行动应力编谱。从IIW标准中确定对应于构架评估点部位焊接接头形式的SN曲线参数(见表1)。利用式(6)、式(8)和式(9)以及评估点的应力谱,可得到各评估点往、返的寿命。结果表明:构架疲劳寿命最薄弱部位在定位座根部的焊接部位,具体数值列于表1。由于1个定位座的数据不完整,因此,取了其余3个定位座根部的数据。根据空、重车1600kN拉伸工况的有限元结果(重车1600kN拉伸工况车体最大和最小主应力云图见图3和图4),确定重点疲劳评估部位为枕梁上盖板与腹板角接焊接区、横梁腹板与下盖板角接焊接区、横梁下盖板与中

12、梁对接焊接区、中部横梁下盖板与中梁对接焊接区、中部横梁腹板与横梁下盖板角接焊接区。依据各评估部位的焊接接头几何和加载方向及焊接类型,从AAR表中选择SN曲线和Goodman图的疲劳性能参数。图5定位座根部焊接结构示意图图3重车1600kN拉伸工况最大主应力云图通过对定位座根部焊接结构和IIW标准中提供的焊接接头结构的对比分析,提出对定位座根部焊接结构进行打磨的改进方案,参见图5。由于SN曲线为双对数曲线,在相同斜率下,此部位改进前后的SN曲线参数明显提高,即由3618MPa提高到4614MPa,由2012MPa提高到2515第3期车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究77MPa。改进后的构架提高了定

13、位座根部焊接接头的定位座根部结构类型原来1寿命。参数寿命/km7156×106(往)8114×106(返)2176×107(往)2132×107(返)8174×106(往)5197×106(返)1190×107(往)2195×107(返)4198×106(往)4152×106(返)1143×107(往)1154×107(返)表1基于IIW标准的定位座根部相关参数和计算结果FAT506350635063mC1C21/MPa3618461436184614361846142/MP

14、a20122515201225152012251533333321500×101151001×101121500×101151001×101121500×101151101×101131393×101411078×101531393×101411078×101531393×101411078×1015改进原来2改进原来3改进文献6给出的构架定位座根部结构改进前、后寿命的疲劳试验结果分别为478和1235万km,对比分析可以看出,基于IIW标准的焊接构架疲劳寿命预测结果与疲劳试

15、验结果比较接近。明显地提高了它的疲劳寿命。(2)由于影响焊接钢结构疲劳寿命的因素太多,因此,依靠AAR/BS/IIW标准计算得到的疲劳寿命不可能是实际工作寿命,“,“寿(,AAR/BS/标准不可能提供所有产品的焊接接头数据,基3结语在研究,通过2个工程案例的分析,可以得出以下结论。(1)基于IIW标准和动应力测试结果的疲劳寿命分析技术路线是切实可行和有一定参考价值的;并且,在同样应力谱下,焊接接头细节的改进参考于安全方面考虑,建议选取相对不利的接头。考虑到国内焊接工艺水平的不稳定性及材料质量的分散性,即使是同样的焊接接头,其寿命仍要比国外的低一些。文献1秦国栋,刘志明,崔二光,等.提速转向架焊

16、接构架疲劳寿命的实用分析方法J.中国铁道科学,2004,25(1):46251.(QINGuodong,LIUZhiming,CUIErguang,etal.PracticalAnalysisMethodforFatigueLifeofWeldedFrameofSpeed2upBogieJ.ChinaRailwayScience,2004,25(1):46251.inChinese)2美国铁路研究协会.AAR机务标准手册S.美国:北美铁路协会,1999.(AssociationofAmericanRailroad.AARLocomotiveandRollingStockStandardManu

17、alS.AmericaAAR,1999.inChinese)3国际焊接学会(IIW).焊接接头与部件的疲劳设计S.IIS/IIW,1995.(InternationalInstituteofWelding(IIW).StressDeterminationforFatigueAnalysisWeldedComponentsS.IIS/IIW,1995.inChinese)4英国钢结构协会(BSI).BS760821993钢结构疲劳设计与评估S.BSI,1993.(BritishStandardInstitute(BSI).BS760821993FatigueDesignandAssessment

18、ofSteelStructuresS.BSI,1993.inChinese)5霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定M.北京:机械工业出版社,2002.(HUOLixing.FractureandAssessmentofWeldedStructureM.Beijing:ChinaMachinePress,2000.inChi2nese)78中国铁道科学第28卷6中国北车集团四方车辆研究所.焊接转向架疲劳试验报告R.青岛:中国北车集团四方车辆研究所,2005.StudyontheAnalysisMethodforFatigueLifePredictionofVehicleWeldedStructure

19、LIXiaofeng,XIESuming,SHIHuizhuo,ZHAOWenzhong(VehicleEngineeringCenterofCAD/CAE,DalianJiaotongUniversity,DalianLiaoning116028,China)Abstract:Toachievefatiguelifepredictionofvehicleweldedstructureduringdesignphase,practicalanal2ysismethodsarepresentedbymeansoffatigueanalysisprincipleandfatigueperforma

20、nceparameterofweldedstructureofAAR/BS/IIWstandard.FatiguelifepredictionresultsofanexportedwagonbyAARstandardshowthattheweldedregionlocatedinmiddleofthewagon,wherewebandbottomoftransversebeamintersected,hastheshortestlife2span(5914years)andsatisfiesthedesignrequirement(25years).BasedonweldedjointsS-N

21、curvesprovidedbyIIWstandardanddynamicstressspectrumtestedonline,fatiguelifepredictionforweldedframeofspeed2upbogieisgiven.Dependingontheanaly2sisresults,animprovedframestructureispresented.Theframeanalysisresultisclosetothetestresult.Keywords:Vehicleweldedstructure;Fatiguelife;met(责任编辑杨宁清)(上接第67页)48无碴轨道用CA砂浆的研制在自主研发的阳离子乳化沥青水泥砂浆成果的基础上,参考借鉴国外板式无碴轨道CA砂浆的资料,通过原材料的筛选、乳化设备和工艺的选择和研究,采用乳化剂复配等技术,经大量的试验,研制出了中-非、慢-外、慢-慢和慢-非4种类型的乳化沥青;在实验室研究的基础上进行放大试验,确定了生产工艺并生产出性能稳定的乳化沥青。然后在此基础上选择并确定了合适的原材料,研制出相关的试验设备,进行了