机车转向架焊接构架轻型化评定和疲劳强度分析

1、西南交通大学学报第34卷第1期Vol.34No.11999年2月Feb.1999JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITY机车转向架焊接构架轻型化评定和疲劳强度分析米彩盈（西南交通大学机车车辆研究所成都610031摘要提出Bo2Bo轴式机车转向架焊接构架轻型化评定准则，根据构架整体结构有限元法分析结果，用边界元法分析了构架侧梁下盖板横向对接焊缝的应力分布，讨论对接焊缝因其根部未焊透引起的应力集中和降低承受拉应力的对接焊缝应力状态的可行性方案，比较理论分析与疲劳强度试验结果，边界元法能较为准确地评述焊缝区域的应力分布状态。关键词边界元法；疲劳裂纹；焊接结构分类号U2

2、60.331随着铁道车辆技术的发展,O在不同运行：，1;对高速列车焊接构架疲劳寿命需满足使用30年，每年运行2,焊接构架时有疲劳破坏发生，阻碍了焊接构架轻型化的实施。以160km/hBO2Bo轴式准高速内燃机车H型焊接构架为例，用边界元法分析焊接构架侧梁下盖板横向对接焊缝在疲劳强度试验中产生疲劳裂纹的原因。构架的侧梁和牵引横梁为箱型结构，箱型梁的上、下盖板厚为20mm,腹板厚为10mm,制造材料为St52钢板，焊缝未进行TIG重熔处理。1轻型化评定准则机车转向架焊接构架设计及计算载荷包括垂向载荷、横向载荷和纵向载荷横向载荷和纵向载荷的大小主要取决于垂向载荷，垂向载荷依赖于机车的轴重。垂向载荷分

3、别作用于构架的一、二系悬挂弹簧的安装座处，在不考虑结构刚度突变引起应力集中的情况下,BO2Bo轴式机车转向架焊接构架在三向复合载荷作用下承受的最大力矩和由此引起的最大应力出现在一、二系悬挂弹簧的安装座区域附近。因此，由轴距法由重/（构架重量X1m"得出的无量纲值能衡量焊接构架的轻型化水平。表1给出了我国高速动力车转向架GSD1及GSD2、德国西门子公司研制的准高速内燃机车心jfjFwI.11TiT%.%Q（v/M/DE30C,AMTRAK转向架及ICE高速动力车转向架和法国TGV高速动力车转向架及焊接构架的一些主要技术参数和轴距法由重/（构架重量Mm"的值，由此可见这六种焊

4、接构架的轻型化程度在同一水平上。收稿日期：1998203217米彩盈:男,1965年生,讲师，硕士表1BO2Bo轴式机车转向架及焊接构架主要技术参数机车种类机车代号轴重/t轴距/m构架结构形式构架重量/kg轴距法由重/（构架重量XlmGSD119.53.0高速电力机车GSD2193.0H型163035.0TGV173.0H型120042.5ICE193.0准高速内燃机车DE30C302.9H型230037.8AMTRAK302.7H型200040.5口字型150039.0口字型150038.02焊接构架疲劳强度试验构架疲劳强度试验的主要目的是验证其疲劳强度,找出强度最薄弱的区域和评价疲劳寿命。

5、疲劳试验加载情况如图1所示。构架疲劳强度试验按UICMerkblatt61524（19943（简称UIC61524实施，总载荷循环次数为1.0107次，荷由垂向载荷、横向载荷、，图1焊接构架疲劳强度试验加载示意图Fz1Fz2为垂向载荷，作用于二系弹簧座处;Fy1,Fy2和Fy3为横向载荷，分别作用于二系弹簧座处和横向止挡处;Fx1和Fx2为纵向载荷，作用于轴箱拉杆座处；Ft1和Ft2为扭曲载荷，作用于一系弹簧座处。构架疲劳试验第二阶段（8.0t06次结束后，经无损检查（磁粉探伤法和着色渗透法发现在焊接构架侧梁下盖板横向对接焊缝区域发现疲劳裂纹，裂纹沿焊缝截面厚度方向的长度约4mm,如图2所示。

6、按UIC61524评定为该焊接构架的疲劳强度不合格，需进一步改进结构设计和焊接工艺规程，重新制造焊接构架进行疲劳强度试验，直到&0106次内不出现疲劳裂纹为止。图2疲劳裂纹位置3疲劳裂纹分析用NASTRAN/ARIES6.0有限元软件对构架结构强度进行有限元分析，将构架划分为32891个三维20节点六面体实体单元、28个梁单元和24个杆单元，节点总数为58936。梁单元模拟一系悬挂弹簧和轴箱拉杆，二者之间的连接用杆单元模拟。垂向载荷作用于构架侧梁的二系悬挂弹簧安装座处，横向载荷分别作用于构架二系悬挂弹簧安装座和横向止挡上，纵向载荷作用于牵引横梁上，边界约束加于杆单元的节点上。构架焊缝的

7、焊接接头坡口形式为K型、V型和X型,在构架试制后期，进行了焊接接头试验，由于焊接工艺制定的不合理,X型对接焊缝在焊缝根部未焊透。因此,为了分析X型对接焊缝产生疲劳裂纹的原因和焊缝缺口的应力集中情况，用边界元法分析焊缝的应力分布。3.1三维边界元法基本原理对于一个三维弹性体结构，在各向同性、均匀的线弹性力学研究中，由广义虎克定律导出应力、应变关系的基本方程为(Tee6ij=2Uj应变方牧移满足关系式eij=由应力描述的平衡方程为0-ij,i+bj=0边界条件为Br1:ui=uBr2:pi=ijn(12(2(3(4e式中:uio和jbjinj;ij为位移、ui和piBBu(-2u弹性材料的切变模量

8、：=r1+r2入；=2G,=G，更材料的弹性模量uG=+为泊松比。由式(1(4导出确定弹性材料的位移平衡方程为入(+nuk,kj+nuj,kk+bj=0(5根据边界元理论4,由加权余量法导出弹性结构体模型的边界积分方程式为(ui己(=cijpj6d3(,如j己/F3E(,xuj(xdr(x=pijfQ3(,xbj(xdQ(xuuij(6式中:cij为边界面几何特征参数。对光滑边界面cij=6ij=。寸,cij=6ij。为了求边界积分方程的数值解，需将结构体模型的边界r离散为nb个边界单元，每个单元内的坐标x、面力p和位移u用相应的节点值xn,pn和un及插信函数矩阵的乘积小表示为TnTnTn（

9、7x=Xu=（|）up=（|）p将空间域Q离散为N个单元，综合式（6和（7导出每个边界点都满足的矩阵方程式6=F（8A式中:A为系数矩阵；的待求边界位移和载荷矩阵；F为作用载荷和体积力综合项矩阵。由矩阵方程式（8即可求得未知节点位移和节点力，方程（8为边界元法的基本方程。3.2边界元法计算方法对焊接构架整体结构强度进行分析时，不考虑焊缝缺口对结构应力分布的影响，将焊缝接头形状简化为结合线；用边界元法确定焊接接头缺口的应力分布时，将焊缝缺口的形状用缺口线描述；焊缝缺口疲劳强度评定采用主应力法5。对焊接构架整体结构实施有限元网格离散第1期米彩盈:机车转向架焊接构架轻型化评定和疲劳强度分析107时,

10、应将焊缝的缺口线和焊缝结合线取在同一位置，整体结构有限元分析结果作为焊缝接头边界元法分析的边界条件。横向对接焊缝缺口离散网格如图3所示。3.3计算结果与分析出现疲劳裂纹区域的有关实测峰值应力、边界元法确定的焊缝缺口线和结构有限元法确定的焊缝结合线应力分布结果在构架侧梁下盖板横向对接焊缝的分布如图4所示。曲线1flJ1|11I111:1l;IIII'l产1iR图3横向对接焊缝缺口4;曲线3为边界元法确定的主应力;,来源于St52钢的2K2Jasper图60焊缝区域的应力在整体结构有限元分析结果中不超过其许用应力，由于焊缝根部未焊透引起的应力集中和侧梁上、下盖板与腹板受力不均匀，引起侧梁下

11、盖板横向对接焊缝及热影响区应力分布的不均匀性，其应力峰值超过许用应力，且接近优质焊缝的屈服极限6分析疲劳试验结果得出该区域的主应力循环特性r在0.S=327.3MPa。4340.611的范围内，对于优质焊缝，与其相对应的许用应力范围为181.58205.51MPa,如图4所示的曲线4。从图4中的曲线2,3和4可以看出，焊缝区域多数点的主应力均超过其相应的许用应力，且疲劳试验结果与边界元法的分析结果相吻合，大于整体结构弹性有限元分析结果（曲线1。由于对接焊缝根部存在未焊透缺陷,在焊缝区域的应力集中系数高达1.52. 3倍。3. 4降低横向对接焊缝应力的方法在侧梁下盖板横向对接焊缝出现疲劳裂纹的构

12、架中，为了降低侧梁下盖板横向对接焊缝承受的拉应力和剪应力，采用了在侧梁下盖板上纵向配筋措施。大量的试验研究表明口:提高承受拉应力和剪应力区域疲劳寿命的有效措施是尽量减少该区域的焊缝数量。因此，构架疲劳实验后，在改进的侧梁结构中，采用了将侧梁下盖板厚度在原板厚度基础上增加2mm代替原来的配筋方案，侧梁截面形心位置（与配筋方案相比降低了3.5mm。构架整体结构有限元强度分析结果指出：该区域的主应力降低了22.7%;在横向对接焊缝区域的最大VONMISES等效应力为108.2MPa;用边界元法分析的最大等效应力为126.3MPa(去除对接焊缝加强高，不考虑焊缝可能存在的焊接缺陷，其主应力均小于与其相

13、对应的许用应力；构架的扭转刚度降低了10.1%,在由于线路的轨道不平顺产生的扭曲载荷作用下，侧梁应力分布更趋于均匀化。西南交通大学学报第34卷1084结论(1在整体结构有限元分析的基础上，边界元法是确定焊缝疲劳强度储备的有效方法；(2从理论上分析了降低构架侧梁横向对接焊缝拉应力的可行性方案，通过改变箱型梁截面形心位置能有效地降低侧梁下盖板横向对接焊缝的应力分布；(3轴距法由重/(构架重量X1m"这一无量纲值能准确地反映焊接构架的轻型化水平，该值越大表明构架的轻型化水平越高。参考文献1 InternationalerEisenverband.UIC51524.1993Eisenbahn

14、fahrzeugefrdenuTransportvonFahrgsten:LaufdrehgestelleundLaufwerk2FestigkeitsprfungamuRahmenvonDrehgestellen,York:InternationalerEisenverband,1992:5222 KretschmerRM.LastkollektivefrHochgeschwindigkeits2Drehgestelle,einSchrittzurderLastannahmen.ZEV2Glas.Ann.1983;107(4:1033InternationalerEisenverband.U

15、IC61524.1994:2Festigkeitsprfunguan,1993:727.北京:高等教育出版社，1989:50735 GestaltungundBerechnungvonSchweisskonstruktionen2Ermdungsfestigkeit.Dtsseldorf:DVS2Verlag.1985:2522596 Forschungs2undVersuchsamtdesInternationalenEisenverbandes.FrageB12/RP1721982.StandardisierungderGtterwagen.Utrecht:BanthVerlag.1982

16、:A9.37 GurneyTR.Fatigueofweldedstructures.London:Combridgeuniversitypress,1979:98115LighteningAssessmentandFatigueStrengthAnalysisfortheWeldedFrameofLocomotiveBogiesMiCaiying(Inst.ofRailVehicles,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,ChinasswholeAbstractTheruleforassessingthelighteningofweldedfra

17、meofBo2Bolocomotivebogieisproposed.Basedontheanalysisresultoftheframestructurewithfiniteelementmethod,thestressdistributioninthelateralbutt2weldonthebottomcoverplateofthesidebeamoftheframeisanalyzedwithboundaryelementmethod.Thestressconcentrationduetotheincompletepenetrationrootoftheweldisdiscussed,andafeasibleschemetoreducethestressi