王劍?┧锍? 馬紀(jì)軍

摘要：

根據(jù)BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)，提出軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)焊縫的評(píng)估流程。以英國(guó)BS 7608—1993標(biāo)準(zhǔn)提供的T型承載接頭為例，利用ANSYS二次開發(fā)，計(jì)算接頭應(yīng)力并進(jìn)行靜強(qiáng)度評(píng)估；基于主SN曲線法界定標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)接頭，分別設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法，進(jìn)而確定焊接性能等級(jí)和檢查等級(jí)。實(shí)現(xiàn)該流程可為工程師進(jìn)行焊接產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和質(zhì)量檢查提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：

軌道車輛； 焊縫質(zhì)量； T型承載接頭； 應(yīng)力因數(shù)

中圖分類號(hào)： U213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Evaluation method of weld quality based on

BS EN 15085 standard

WANG Jian1，2， SUN Chang1， MA Jijun2

（1. College of Traffic and Transportation Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China；

2. CRRC Tangshan Co.， Ltd.， Tangshan 063035， Hebei， China）

Abstract：

According to the BS EN 15085 standard， the evaluation process of welding structure weld of railway vehicle is proposed. Taking Ttype bearing joint in BS 7608—1993 standard as an example， the secondary development of ANSYS is used to calculate the joint stress and evaluate the static strength； the standard and nonstandard joints are defined based on the principal SN curve method， and the fatigue strength calculation method is designed respectively； the welding performance level and inspection level are determined. The implementation of the process can provide data support for engineers to conduct welding product design production and quality inspection.

Key words：

railway vehicle； weld quality； Ttype bearing joint； stress factor

0 引 言

BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)是歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)于2007年制定的，涵蓋鐵路車輛及其零件制造中各類金屬材料的焊接，是用于評(píng)估軌道交通裝備焊接質(zhì)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。[1]

在國(guó)家“一帶一路”倡議的指導(dǎo)下，我國(guó)軌道交通裝備企業(yè)響應(yīng)“走出去”的號(hào)召，積極擴(kuò)展海外業(yè)務(wù)，但在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)際市場(chǎng)中，產(chǎn)品必須依照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和質(zhì)量檢查才能提高競(jìng)爭(zhēng)力。

軌道交通裝備結(jié)構(gòu)中存在很多焊接結(jié)構(gòu)，研究如何運(yùn)用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接產(chǎn)品開發(fā)與質(zhì)量評(píng)估是重要課題。很多學(xué)者對(duì)BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過深入研究：周東海等[2]論述推行該標(biāo)準(zhǔn)的意義及重要性，闡述該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和相關(guān)聯(lián)的其他歐洲標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；朱志民[3]通過對(duì)浦鎮(zhèn)公司BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)體系CL 1級(jí)認(rèn)證的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，為該標(biāo)準(zhǔn)焊接質(zhì)量體系管理工作提出指導(dǎo)；劉洋等[4]基于該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)牽引動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并通過對(duì)構(gòu)架模型進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。

已有的研究工作大多集中在BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)下的質(zhì)量體系建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)說明，針對(duì)具體結(jié)構(gòu)案例的研究較少。此外，考慮到實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)接頭的復(fù)雜性和研究中存在的誤區(qū)[5]，使每個(gè)接頭都找到與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估十分困難。

本文以主SN曲線法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)際通用的焊縫疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將焊接接頭分為2類：標(biāo)準(zhǔn)接頭和非標(biāo)準(zhǔn)接頭。名義應(yīng)力和接頭形式能夠從標(biāo)準(zhǔn)中檢索到的接頭為標(biāo)準(zhǔn)接頭，可直接進(jìn)行疲勞壽命分析并計(jì)算應(yīng)力因數(shù)；其余接頭統(tǒng)稱為非標(biāo)準(zhǔn)接頭，需采用主SN曲線法進(jìn)行疲勞壽命分析和應(yīng)力因數(shù)計(jì)算。

1 焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)估流程

BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)分別從焊接接頭的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢查等3個(gè)方面，確定接頭靜強(qiáng)度評(píng)估、接頭疲勞強(qiáng)度評(píng)估、應(yīng)力等級(jí)和應(yīng)力因數(shù)、安全等級(jí)、焊接性能等級(jí)、焊接檢查等級(jí)，以及相互之間的關(guān)系。在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)確定焊接接頭質(zhì)量等級(jí)的流程如下。

（1）計(jì)算應(yīng)力因數(shù)，即計(jì)算應(yīng)力值與適當(dāng)安全因數(shù)調(diào)節(jié)的許用疲勞應(yīng)力之比。應(yīng)力等級(jí)與應(yīng)力因數(shù)的關(guān)系見表1。

由此可見，焊接接頭質(zhì)量評(píng)估流程是一個(gè)邏輯性極強(qiáng)的完整流程，該流程對(duì)軌道車輛產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)的焊接接頭設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 焊接接頭質(zhì)量評(píng)估方法

基于焊接接頭質(zhì)量評(píng)估流程，在ANSYS中進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)包括靜強(qiáng)度評(píng)估在內(nèi)的焊接結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量等級(jí)評(píng)估。其基本思路為：計(jì)算接頭應(yīng)力水平，進(jìn)行靜強(qiáng)度評(píng)估，判斷計(jì)算應(yīng)力是否大于靜強(qiáng)度的許用應(yīng)力。若不滿足強(qiáng)度要求，修改接頭局部特征；若滿足強(qiáng)度要求，考察疲勞應(yīng)力狀態(tài)。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)接頭，依照名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞應(yīng)力計(jì)算，求得應(yīng)力集中因數(shù)（stress concentration factor，SCF）；對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)接頭，依照結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算疲勞應(yīng)力。參考BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)，確定焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)、安全狀態(tài)和質(zhì)量等級(jí)，進(jìn)而確定焊接性能等級(jí)和檢查等級(jí)。評(píng)估流程的實(shí)現(xiàn)過程見圖1。

ANSYS是開放二次開發(fā)的有限元分析軟件，為用戶提供的常用二次開發(fā)工具有：參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)

言APDL、宏MARCO、用戶可編程特性UFPs和用戶界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言UIDL。[6]鑒于ANSYS提供的界面開發(fā)功能較薄弱，且開發(fā)過程相對(duì)復(fù)雜，將程序簡(jiǎn)易、功能全面的工具命令語(yǔ)言TCL/TK利用在ANSYS的二次開發(fā)中。[7]利用APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制宏程序，UIDL開發(fā)菜單界面，TCL/TK開發(fā)對(duì)話框界面，可形成一套完整的用戶圖形界面。[8]基于以上思路，建立UIDL自定義菜單（見圖2），用于調(diào)用TCL/TK自定義程序界面（見圖3）。

3 T型承載接頭的焊縫質(zhì)量評(píng)估實(shí)例

以BS 7608—1993標(biāo)準(zhǔn)[9]提供的鋼質(zhì)、受拉標(biāo)準(zhǔn)T型承載接頭（見圖4）為例，分別采用名義應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)2種方法對(duì)接頭焊縫進(jìn)行評(píng)估，驗(yàn)證焊接接頭焊縫質(zhì)量評(píng)估的完整流程。

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)和靜強(qiáng)度校核

材料參數(shù)和模型尺寸見表5，建立標(biāo)準(zhǔn)T型承載接頭有限元模型（見圖5），縱向拉伸載荷為5 100 N。

3.2 基于名義應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度校核

通過名義應(yīng)力計(jì)算方法對(duì)該接頭進(jìn)行名義應(yīng)力評(píng)估，在ANSYS中調(diào)用基于TCL/TK開發(fā)的程序界面中的名義應(yīng)力計(jì)算模塊，定義單元和節(jié)點(diǎn)，通過程序計(jì)算得到焊線上各節(jié)點(diǎn)的名義應(yīng)力值σn為35.83 MPa。

3.3 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度校核

采用fesafe中的Verity模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，得到焊線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，見圖7。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力與SCF

根據(jù)BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算應(yīng)力等級(jí)的方法，分別計(jì)算名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)于疲勞標(biāo)準(zhǔn)中

許用名義應(yīng)力

σref的應(yīng)力因數(shù)。σref為依據(jù)疲勞標(biāo)準(zhǔn)中SN曲線計(jì)算公式求出的

許用

疲勞應(yīng)力，可通過自定義界面程序中的參考應(yīng)力計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。此處計(jì)算得到的σref為40 MPa。

令SCF等于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值，作為標(biāo)準(zhǔn)接頭中名義應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力互相轉(zhuǎn)換的中介，在已知其中任意一個(gè)應(yīng)力的情況下，利用該因數(shù)即可求得另一個(gè)應(yīng)力值。[10]

3.5 計(jì)算結(jié)果與分析

焊線節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布和SCF見表6。根據(jù)BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于安全等級(jí)的確定方法，確定焊接接頭安全等級(jí)（鑒于算例使用的是承載接頭，此處設(shè)定安全等級(jí)為中）。根據(jù)應(yīng)力等級(jí)、安全等級(jí)要求和焊接性能等級(jí)，可確定焊接接頭檢查等級(jí)。

應(yīng)力等級(jí)為高，安全等級(jí)為中，則焊接性能等級(jí)為

CP B，焊接檢查等級(jí)為CT 2，即可確定該焊縫所需的檢查方法。

4 結(jié) 論

（1）基于BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行典型焊縫接頭質(zhì)量評(píng)估方法的研究，分析焊接接頭評(píng)估流程，引入SCF，有利于提高接頭設(shè)計(jì)效率。

（2）基于ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，建立UIDL自定義菜單，利用TCL/TK開發(fā)用戶程序界面，進(jìn)行模塊化計(jì)算。

（3）采用BS 7608—1993標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)接頭作為計(jì)算實(shí)例，建立有限元模型，校核靜強(qiáng)度，分別計(jì)算名義應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和SCF。按照BS EN 15085標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估流程，確定焊接接頭的應(yīng)力等級(jí)，根據(jù)接頭的安全性要求，確定焊縫的安全等級(jí)和檢驗(yàn)等級(jí)，為軌道交通裝備焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐵路上的應(yīng)用——鐵路車輛及其部件的焊接： BS EN 15085—2007[S].

[2] 周東海， 李加良. 在鐵路貨車行業(yè)推行歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 15085“軌道車輛及其零部件的焊接”[J]. 焊接， 2010（6）： 1921.

[3] 朱志民. 基于BS EN 15085焊接質(zhì)量體系的管理和應(yīng)用[J]. 焊接， 2010（11）： 5759.

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