劉洪濤 劉立璽 李英奎
摘 要: 國內(nèi)對地鐵不銹鋼車體疲勞的研究尚處于起步階段,而國外已經(jīng)建立了成熟的研究體系,特別是以IIW標準的評估方法為代表的研究,為此文章基于不銹鋼車體結(jié)構(gòu),分析闡述了疲勞中最為關(guān)鍵的弧焊縫的疲勞機理;分析IIW標準中弧焊縫疲勞評估方法,并依據(jù)標準對具體接頭類型的評估進行了闡述,文章的相關(guān)描述與結(jié)論可為進一步研究車體疲勞問題的同行提供參考。
關(guān)鍵詞:地鐵車輛;不銹鋼車體;焊縫疲勞
中圖分類號:U270.2 TH123 文獻標識碼:A 文章編號:1006-8937(2016)32-0060-02
1 概 述
國內(nèi)對地鐵不銹鋼車體疲勞的研究尚處于起步階段,而國外已經(jīng)建立了成熟的研究體系,特別是以IIW標準的評估方法為代表的研究,為此文章基于不銹鋼車體結(jié)構(gòu),分析闡述了疲勞中最為關(guān)鍵的弧焊縫的疲勞機理;分析IIW標準中弧焊縫疲勞評估方法,并依據(jù)標準對具體接頭類型的評估進行了闡述,文章的相關(guān)描述與結(jié)論可為進一步研究車體疲勞問題的同行提供參考。
2 弧焊接頭疲勞機理與評估
2.1 車體弧焊焊縫疲勞機理
地鐵車體屬于承受高靜載荷及高周循環(huán)應力的大型焊接結(jié)構(gòu),其壽命周期內(nèi)的疲勞破壞主要發(fā)生在焊接接頭位置。任意焊接接頭遵循的疲勞失效模式,可以通過數(shù)學模型分析得到,包括裂紋的起始點及裂紋擴展的方向[1]。在焊趾處,應用兩個特定位置的應力,如0.4 t和1 t處的應力進行焊趾處線性外推,從而提取焊趾處的熱點應力,如圖1所示。
2.3 典型的疲勞破壞裂紋及擴展
焊縫和接頭的疲勞裂紋,如圖2所示。焊接接頭典型疲勞破壞形式主要有兩種:一種是板破壞,圖2中稱為模式A,破壞起始于焊趾或焊根;另一種是焊縫破壞,稱為模式B,裂紋穿透焊縫融線很近的金屬材料,或者裂紋接近于熔線?;跀嗔蚜W理論,模式A的疲勞裂紋,取決于破壞位置截面相對裂紋平面的法向應力分布;模式B取決于給定的破壞路徑的裂紋平面法向應力分布。
與破壞模式B相比,破壞模式A的S-N數(shù)據(jù)顯示出更少的離散性。因為,可以通過計算和試驗的方法得到模式A的裂紋,而模式B的應力狀態(tài)取決于實際焊喉尺寸,試驗試件在同一條半融透焊縫內(nèi),焊喉尺寸都會發(fā)生明顯變化,所以其結(jié)果較為離散,模式B的破壞可以通過設計焊縫尺寸和焊接工藝予以避免[2]。
2.4 IIW標準(國際焊接學會)疲勞評估方法
根據(jù)S-N曲線,斷面開裂主要由疲勞失效引起,S-N曲線的表達方式具有如下形式[1]:
N=■orN=■
不同接頭型式的S-N曲線,如圖3所示。
下表舉例了常見的焊接接頭的疲勞極限,每一種疲勞極限對應圖3中相應的S-N曲線,設計過程中可用此評估FEA疲勞計算結(jié)果[1]。正常工況高周疲勞接頭S-N曲線,見表1。
3 結(jié) 語
文章分析了車體焊縫疲勞機理與評估方法,對于焊縫,一般為了提高抗疲勞能力,應根據(jù)FEA分析結(jié)果,依據(jù)焊縫的S-N曲線設計合理的接頭型式,如接頭型式更改仍然無法滿足要求,則應該局部優(yōu)化結(jié)構(gòu),因此在方案設計階段應對關(guān)鍵位置的焊縫進行初步估算。一般應根據(jù)接頭的搭接類型及板材厚度,預估其適合的P-S-N曲線,使用FEA疲勞計算結(jié)果與預估線數(shù)值進行比較,進行評估,如果無法滿足要求,則應該優(yōu)化設計結(jié)構(gòu),必要時進行相應的疲勞試驗,
參考文獻:
[1] A. Hobbacher Chairman of IIW Joint Working Group XIII-XV,“Rec
ommendations For Fatigue Design Of Welded Joints And Component
s”[M], IIW document IIW-1823-07 ex XIII-2151r4-07/XV-125
4r4-07,2008.
[2] P. Dong, J. K. Hong, D.A. Osage, D. Dewees,M. Prager ,“The Master
S-N Curve Method An Implementation For Fatigue Evaluation Of
Welded Components In The ASME B&PV CODE” [S],Section Viii,
Division 2 And API 579-1/ASME FFS-1, 2010.