代魯平， 白從凱， 楊蕭

（中車山東機(jī)車車輛有限公司，濟(jì)南250022）

0 引 言

軌道車輛在運(yùn)行過程中承受復(fù)雜多變的多軸載荷，在長期的交變載荷作用下，其關(guān)鍵承載部件在應(yīng)力范圍較大的部位易形成疲勞損傷并逐漸累積，直至疲勞破壞并造成不可估量的損失。故在設(shè)計(jì)階段需要不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強(qiáng)度評(píng)估；在生產(chǎn)階段需要嚴(yán)格把控制造質(zhì)量，尤其是應(yīng)力較高的部位；在運(yùn)營階段需要一直監(jiān)測車輛的性能，對(duì)疲勞薄弱點(diǎn)進(jìn)行后評(píng)估。

目前國內(nèi)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞仿真評(píng)估和試驗(yàn)研究主要借鑒國外研究的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如B12/PR17報(bào)告、FKM、IIW、BS7608、Eurocode3和DVS1612等。德國焊接學(xué)會(huì)根據(jù)軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)編寫了DVS1612《軌道車輛結(jié)構(gòu)焊接接頭設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度評(píng)估》，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)據(jù)和評(píng)估方法代表了本行業(yè)最新研究成果，有必要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容進(jìn)行研究，并轉(zhuǎn)化應(yīng)用到我國軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估中。

1 DVS1612疲勞評(píng)估流程

DVS1612標(biāo)準(zhǔn)考慮了EN12663和EN13749規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)載荷，并結(jié)合焊縫處理和質(zhì)量保證的EN15085-3規(guī)范，對(duì)車輛用焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)定提供參考[1]。采用DVS1612進(jìn)行焊縫疲勞仿真評(píng)估的流程如表1所示。

2 EN15085的焊接質(zhì)量要求

DVS1612焊縫疲勞評(píng)估結(jié)合EN15085-3規(guī)范[2]的焊縫處理和質(zhì)量保證，用以確定焊接接頭的缺口殼線。涉及的內(nèi)容包括焊接接頭的應(yīng)力等級(jí)、安全等級(jí)、性能等級(jí)和檢查等級(jí)的確定。

表1 焊縫疲勞仿真評(píng)估流程

焊接接頭的應(yīng)力等級(jí)、安全等級(jí)、性能等級(jí)、檢查等級(jí)，以及由此確定的接頭檢驗(yàn)方式之間的關(guān)系如表2所示。如果某些部位的檢測方式不能達(dá)到更高的要求，可以在設(shè)計(jì)時(shí)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低此部位的應(yīng)力等級(jí)來實(shí)現(xiàn)。

3 DVS1612疲勞評(píng)估的相關(guān)理論

3.1 疲勞強(qiáng)度評(píng)估的MKJ圖

DVS1612標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了軌道車輛兩種常用材料S355和S235鋼材的MKJ圖。對(duì)于屈服強(qiáng)度介于S355和S235的鋼材可通過線性插值來修正對(duì)應(yīng)材料的缺口曲線A至D的疲勞強(qiáng)度值；對(duì)于屈服強(qiáng)度高于S355的材料，母材缺口曲線A可通過線性插值來提高，其他缺口曲線（曲線AB至F2）可參照S355的值。

表2 接頭應(yīng)力等級(jí)、安全等級(jí)、性能等級(jí)、檢查等級(jí)和檢測方式關(guān)系表

DVS1612標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的母材疲勞特性為正應(yīng)力A和AB 兩個(gè)等級(jí)，剪應(yīng)力G+等級(jí)，焊縫的疲勞特性為正應(yīng)力從B到F3十個(gè)等級(jí)，剪應(yīng)力從G到H-五個(gè)等級(jí)。

DVS1612標(biāo)準(zhǔn)適用于板材厚度≥2 mm和部分≥1.5 mm的鋼焊接接頭類型的耐久強(qiáng)度設(shè)計(jì)和評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)中的材料數(shù)據(jù)生存概率不小于95%，最小循環(huán)次數(shù)為2×106次。MKJ圖中的許用疲勞強(qiáng)度值包括安全因數(shù)1.5（表示平均值），因此大約對(duì)應(yīng)于存活概率Pü=99.5%。

3.2 許用疲勞應(yīng)力及修正

式中：σzul,Rσ為許用疲勞拉應(yīng)力；σzul,κ為許用疲勞壓應(yīng)力；τzul,Rτ為許用疲勞剪應(yīng)力；Rσ為正應(yīng)力比，Rσ=σmin/σmax；σmax為拉應(yīng)力范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大正向應(yīng)力；σmin為拉應(yīng)力范圍內(nèi)出現(xiàn)的最小正向應(yīng)力；κ為壓應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)力比，κ=σu/σ0=1/Rσ；σ0為峰值應(yīng)力出現(xiàn)在壓應(yīng)力范圍內(nèi)，絕對(duì)項(xiàng)中的較高應(yīng)力；σu為低應(yīng)力出現(xiàn)在壓應(yīng)力范圍內(nèi)，絕對(duì)項(xiàng)中的較低應(yīng)力；Rτ為剪切應(yīng)力比，Rτ=τmin/τmax；τmax為平行于焊縫的最大剪切應(yīng)力；τmin為平行于焊縫的最小剪切應(yīng)力；x為缺口殼線指數(shù)，取值見DVS1612標(biāo)準(zhǔn)中的表4.1和表4.2；τmax,R=-1為應(yīng)力比為-1的許用剪應(yīng)力，取值見DVS1612標(biāo)準(zhǔn)中的表4.3。

式（1）～式（3）中的許用疲勞應(yīng)力值適用于2≤t≤10 mm的板材厚度范圍，對(duì)于10

式中：t為板材厚度；σ∥,zul為平行于焊縫的許用正應(yīng)力；σ⊥,zul為垂直于焊縫的許用正應(yīng)力；τzul為許用剪應(yīng)力；σ∥,zul,t為修正后的平行于焊縫的許用正應(yīng)力；σ⊥,zul,t為修正后的垂直于焊縫的許用正應(yīng)力；τzul,t為修正后的許用剪應(yīng)力。

4 案例解析

某國外地鐵工程車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為鋼焊接結(jié)構(gòu)，鋼板材質(zhì)為S355。構(gòu)架橫梁與側(cè)梁腹板插接的焊縫受力狀況比較復(fù)雜，為構(gòu)架的關(guān)鍵焊縫。選擇此焊縫作為仿真對(duì)象具有代表性，如圖1所示。

圖1 構(gòu)架整體結(jié)構(gòu)圖

4.1 構(gòu)架應(yīng)力計(jì)算

對(duì)上述構(gòu)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型簡化、網(wǎng)格劃分，并采用EN13749[3]的工況組合對(duì)其進(jìn)行疲勞仿真分析。疲勞載荷工況組合共16個(gè)，包含垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、扭轉(zhuǎn)載荷、菱形載荷、慣性載荷、制動(dòng)載荷和阻尼載荷等工況及組合。完成求解后提取評(píng)估焊縫的最大和最小應(yīng)力，并依據(jù)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力比。

在進(jìn)行焊縫疲勞強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，采用仿真模型中距焊縫1.0～1.5個(gè)板厚位置的名義應(yīng)力，即沿焊縫和垂直于焊縫方向的正應(yīng)力及沿焊縫方向的剪應(yīng)力。此關(guān)鍵焊縫的應(yīng)力如表3所示。

4.2 確定缺口殼線

該關(guān)鍵焊縫為單面坡口的T形接頭，部分焊透，焊縫進(jìn)行10%的磁粉探傷。根據(jù)DVS1612標(biāo)準(zhǔn)中T形接頭的缺口殼線參數(shù)，可查得沿焊縫方向的正應(yīng)力為D+，垂直于焊縫方向的正應(yīng)力為F3；剪切應(yīng)力的缺口曲線采用H-。

表3 關(guān)鍵焊縫的最大、最小應(yīng)力及應(yīng)力比

4.3 確定許用疲勞應(yīng)力

根據(jù)最大最小應(yīng)力確定此處關(guān)鍵焊縫所處的應(yīng)力區(qū)為拉應(yīng)力區(qū)或是壓應(yīng)力區(qū)，由此選擇許用疲勞應(yīng)力公式并根據(jù)應(yīng)力比和缺口殼線的參數(shù)計(jì)算此關(guān)鍵焊縫的許用疲勞應(yīng)力。此處關(guān)鍵焊縫的名義應(yīng)力為構(gòu)架腹板上的應(yīng)力，腹板的板厚為14 mm，還需要按照公式（4）對(duì)許用疲勞應(yīng)力進(jìn)行折減。計(jì)算所用公式、參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 許用疲勞應(yīng)力相關(guān)參數(shù)及結(jié)果

4.4 確定利用度和結(jié)果評(píng)估

DVS1612中規(guī)定，接頭的利用度由疲勞應(yīng)力計(jì)算值比疲勞許用值得到。每個(gè)應(yīng)力分量應(yīng)分別滿足公式（5），且組合應(yīng)力應(yīng)滿足公式（6）：

取表3中最大應(yīng)力和最小應(yīng)力中的絕對(duì)值大值作為疲勞應(yīng)力的計(jì)算值，并與表4中得到的許用疲勞應(yīng)力做比較，按照式（5）和式（6）得到的利用率和評(píng)估結(jié)果如表5所示。

5 結(jié) 語

本文介紹了DVS1612的疲勞評(píng)估流程和相關(guān)理論，并以某國外地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為例，采用DVS1612 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了關(guān)鍵焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果表明該焊縫的疲勞利用率小于1，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可進(jìn)行下一步的輕量化設(shè)計(jì)。

表5 焊縫疲勞利用率計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn)，提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可通過以下方式進(jìn)行：1）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低焊接接頭的應(yīng)力范圍。2）提高焊接接頭的缺口殼線的等級(jí)，提高疲勞許用應(yīng)力。a.更改焊接類型，提高缺口殼線等級(jí)，如搭接改為對(duì)接；部分焊透改為全焊透；單面焊改為雙面焊等。b.進(jìn)行焊縫工藝處理，提高缺口殼線等級(jí)，如焊縫打磨等。c.調(diào)整焊縫性能等級(jí)、檢查等級(jí)和探測方式。

DVS1612標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)據(jù)和評(píng)估方法代表了本行業(yè)最新研究成果，有必要轉(zhuǎn)化應(yīng)用到我國軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估中，為我國軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估提供一定的指導(dǎo)和理論依據(jù)。