李向偉 王 劍 黃永生 兆文忠 于連友

1.大連交通大學,大連,116028 2.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司,齊齊哈爾,161002

0 引言

隨著新一代重載、快捷鐵路貨車的發(fā)展,傳統(tǒng)的靜強度設計、試驗及評價體系受到了嚴峻挑戰(zhàn),現有貨車設計及分析平臺已不能滿足產品抗疲勞設計的需求。當前,選擇合理的分析方法,運用高效、適用的分析工具,在方案設計階段,預測產品的使用壽命,開展抗疲勞設計,是急需解決的一項技術問題。

貨車焊接結構疲勞壽命預測系統(tǒng)就是在上述背景下,結合鐵路貨車產品結構的特點,為設計人員量身訂做的一套焊接結構疲勞壽命預測軟件。該軟件系統(tǒng)以北美鐵路協會標準[1](AAR標準)、英國鋼結構疲勞設計與評估標準[2](BS標準)、國際焊接學會標準[3](IIW標準)等為基礎,以焊縫疲勞評估的最新Verity法[4-6]、已知疲勞壽命的結構應力反求法等為核心,以SQL-Sever為網絡數據庫支持,以VC++語言為面向對象的編程工具,而開發(fā)的一個簡便、實用的多用戶焊接結構疲勞壽命預測系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)的開發(fā)與應用,不僅為設計師提供了對焊縫設計細節(jié)進行疲勞壽命預測的平臺,還能夠有效地支持設計方案對比選優(yōu),從而提高鐵路貨車產品的抗疲勞性能。

1 系統(tǒng)構成要素

通過對世界先進的焊接結構疲勞壽命評估方法及當前常用貨車設計標準的廣泛研究,充分考慮鐵路貨車產品結構特點和用戶的多種需求,將該系統(tǒng)劃分為以下7個核心功能模塊：

(1)Verity法焊縫疲勞壽命計算模塊。該模塊以2007年美國ASME標準中采用的等效結構應力法焊縫疲勞壽命評估的新算法為內核[4],在有限元模型基礎上,運用網格不敏感結構應力計算技術及一條主應力-循環(huán)次數(主S-N)曲線建立數學模型,采用斷裂力學的原理,相對精確地預測焊接結構的疲勞壽命。

(2)結構應力反求模塊。該模塊以推導AAR標準主要載荷事件條件下反求結構應力算法為內核,實現了以設計壽命為輸入參數,以結構應力為輸出參數的反求算法。

(3)名義應力法疲勞計算模塊。該模塊以工程上常用的名義應力法進行疲勞壽命預測,內置了AAR標準、BS標準及IIW標準焊接接頭SN曲線相關參數[1-3],運用Palmgren-Miner線性累積理論預測產品的疲勞壽命。同時,該模塊還提供了板厚對疲勞強度影響的修正算法。

(4)熱點應力法疲勞計算模塊。該模塊以IIW標準焊接結構熱點應力S-N曲線數據為依據,內置了熱點應力的兩點外推法、三點外推法及高階兩點外推等算法[3],是對名義應力法疲勞評估的重要補充。

(5)無限壽命設計模塊。該模塊基于無限壽命計算方法,嵌入了常用材料疲勞極限數據庫、UIC、WAG08、Dang-von等標準數據,并實現其算法。

(6)載荷譜數據管理模塊。該模塊主要實現載荷譜數據維護、分解、統(tǒng)計、輸入、輸出等功能。

(7)材料S-N曲線數據管理模塊。該模塊對AAR、BS、IIW等標準S-N曲線數據及常用材料P-S-N曲線數據進行維護。

以上7個核心模塊是以貨車設計常用焊接結構疲勞壽命評估標準為基礎的,各模塊相互補充,并通過網絡數據庫系統(tǒng)將各功能模塊有機關聯,構成了軟件系統(tǒng)的關鍵要素,要素的構成關系見圖1。

圖1 軟件系統(tǒng)構成要素

2 關鍵技術

2.1 Verity方法

Verity疲勞分析方法是基于斷裂力學及大量焊接試驗,研究的一種相對準確計算焊縫疲勞壽命的新方法[4-6],該方法提出后受到了學術界廣泛關注,并于2007年被美國ASME標準所采納[4]。

在焊接結構疲勞分析中存在兩個關鍵問題極大地影響了其工程應用：一是焊接接頭分類標準難以把握;二是焊接位置通常是應力集中區(qū)域,難以精確計算應力分布。為解決上述難題,文獻[5]中認為,沿板厚方向焊趾處應力呈非線性分布(圖2),焊趾處總應力 σx等于膜應力 σm、彎曲應力 σb與非線性峰值應力σn之和,而非線性峰值應力是自平衡的殘余應力,因此,焊趾處結構應力σs的變化是引起焊接結構疲勞失效的主要影響因素。

圖2 焊趾處應力分布

Dong[5]通過提取有限元分析結果的節(jié)點力,運用解析法計算焊縫處的結構應力分布,從而獲得了與有限元網格大小不敏感的結構應力(structural stress);將通過對結構應力修正獲得的等效結構應力作為S-N曲線參量,獲得了分布狹小的S-N曲線試驗數據,從而實現了以一條主S-N曲線的模型來預測焊縫的疲勞強度,很好地解決了上述兩個難題。

Verity疲勞分析方法主S-N曲線計算公式為

式中,Cd、h為主S-N曲線試驗常數(表1),由ASME標準提供[4];N為循環(huán)次數;ΔSs為等效結構應力變化范圍;σs為結構應力變化范圍,反映了應力集中的對疲勞性能的影響;t為板厚,反映了厚度對疲勞性能的影響;I(r)為載荷影響系數,反映了膜應力與彎曲應力狀態(tài)對疲勞性能的影響;m為試驗常數,m=3.6[4-6]。

不難看出,主S-N曲線方程與名義應力法S-N曲線方程形式相同,但主S-N曲線以等效結構應力變化范圍ΔS s為參量,它包含了結構應力變化范圍、板厚、膜應力與彎曲應力狀態(tài)的綜合影響。另外,結構應力是由外力引起的,反映了與應力集中相關的焊縫處應力分布,而等效結構應力則是運用斷裂力學原理推導出來的,是對影響疲勞評估因素的綜合考慮。

表1 主S-N曲線參數表

為驗證Verity方法的有效性,美國Battelle試驗中心對比分析了自1947年以來的數千個焊接疲勞試驗數據(圖3),這些試驗數據涵蓋各種不同的焊接類型、板厚、載荷模式等影響,并取得了極好的預測效果。

圖3 主S-N曲線試驗數據

2.2 基于AAR標準結構應力反求

抗疲勞設計的反問題是指已知設計壽命,反求能滿足設計條件所允許的結構應力。AAR標準提供的設計方法中,設計過程是從給定結構應力及載荷求其設計壽命[1],當設計壽命不能滿足用戶要求時,設計人員只能通過調整參數進行試湊,使壽命逐漸逼近要求值,這種方法迭代次數多、計算效率低、計算結果難以收斂,為解決這一矛盾,通過推導AAR標準主要載荷事件條件下,反求結構應力解析表達式,實現了以設計壽命為輸入參數,以結構應力為輸出參數的反求算法,從而提高了方案修改效率。

當設計壽命為N f時,由AAR標準可得

立,即當S max i(1-mRi)＞b時,可得

將式(5)代入式(4),并令

于是疲勞壽命Nf可整理為一新的表達式,即

式中,Ne為達到疲勞極限的循環(huán)次數;k為S-N曲線斜率;m為Goodman曲線斜率;b為Goodman曲線截距;β為每公里循環(huán)數;αi為載荷譜中提供的次數百分率;σ為在標稱外載荷F作用下評估點的當量應力;Fmaxi、Fmini分別為載荷譜中每一級載荷的最大載荷和最小載荷;Smaxi為每級載荷換算所得最大應力;Sei為每級載荷的疲勞極限值;Ri為每級載荷的載荷比(Fmini/Fmaxi);i對應載荷譜中各分級項,i=1,2,…,n。

式(7)為根據AAR標準重新整理的疲勞壽命計算公式,由式(7)可以得到在給定設計壽命Nf下,求解結構評估點的設計應力σ的解析表達式為

因此,式(8)成立的條件Ai＞b/σ可轉化為

將 Ai由大到小排序,排序后記為Bi,同時αi也要進行對應調整,將調整后的αi記為ζi,并令

在求解設計應力時,要判斷式(9)能否滿足條件,因此首先要判斷式(10)能否成立,并明確其物理含義。這里外載荷F、每公里循環(huán)數β、載荷譜中載荷變化范圍及對應出現次數均不為0,因此有Di＞0成立。該值的大小與載荷直接相關,是外載荷作用強度的數學表達,如果D i=0,表明載荷作用的強度為0,結構不會產生疲勞失效。同時,S-N曲線斜率k、設計壽命N f及達到疲勞極限的循環(huán)次數Ne均大于0,因此有C＞0成立,該值的大小與結構損傷比直接相關,是結構所設定損傷因子的數學表達,如果C=0,表明結構不存在損傷,因此結構不會產生疲勞失效。

因Di及C都不為0,所以根據上述公式,只需依次判斷 B1/Dk1、B2/(D1+D2)k、…、Bj/(D 1+D2+…+Dj)k是否大于C,這里 j對應排序后載荷譜的各分級項(j=1,2,…,n),當有Bj+1/(D1+D 2+…+D j+1)k＜C,而Bj/(D1+D2+…+Dj)k＞C時,判斷終止,此時結構評估點的設計應力為

式(11)即為給定壽命要求的前提下,反求滿足條件的結構應力解析表達式。利用上述反求算法,開發(fā)了與之對應的專用模塊,滿足了設計需求,實現了更有實用價值的產品抗疲勞設計。

2.3 網絡數據庫設計

網絡數據庫設計也是軟件系統(tǒng)開發(fā)的一項核心內容。開發(fā)過程中,從數據庫的邏輯設計到物理設計,再到數據庫維護、查詢,對數據庫體系進行了詳細規(guī)劃。

軟件系統(tǒng)選用SQL-Server作為網絡數據庫服務器。SQL-Server是基于關系型數據庫的大型數據庫系統(tǒng),它具有獨立于硬件平臺、對稱的多處理器結構、搶占式多任務管理、完善的安全系統(tǒng)和容錯功能,并具有易于維護的特點。為保證數據的統(tǒng)一性,減少數據冗余,系統(tǒng)在SQLSever服務器端,分別建立了人員權限庫、系統(tǒng)登錄信息庫、各種標準S-N曲線庫、材料疲勞性能庫及載荷譜庫。為降低服務器訪問量,提高計算速度,基本計算模塊數據庫建立在客戶端,采用Access小型關聯式數據庫結構(圖4)。

圖4 網絡數據庫組成

數據庫開發(fā)接口采用ADO(activeX data objects)技術,該技術提供了編程語言和統(tǒng)一數據訪問方式OLE-DB的一個中間層,通過OLE-DB提供者對在數據庫服務器中的數據進行訪問和操作,其主要優(yōu)點是易于使用、高速度、低內存支出和占用磁盤空間較少,并且ADO支持用于建立基于客戶端與服務器應用程序的主要功能。

3 工程應用實例及效果

軟件系統(tǒng)開發(fā)完成后,分別在450t鉗夾車轉向架設計、食用油罐車車體設計、澳大利亞FMG礦石車車體設計等多種貨車產品上進行了一系列工程應用,下面僅以450t鉗夾車四軸焊接轉向架為例,說明該軟件的應用效果。

首先根據初步設計方案,運用靜強度評估所用有限元模型,以名義應力法疲勞計算模塊進行疲勞評估,發(fā)現設計不合理的部位。以反求模塊計算可以達到要求的設計應力值,調整設計,確定細部結構。

然后根據詳細方案修改計算模型,對焊縫細節(jié)建立有限元網格(圖5)。提取焊縫處節(jié)點力,計算等效結構應力。該實例中三角筋板與上蓋板連接處等效結構應力值最高,為 -150MPa(圖 6)。

圖5 四軸焊接轉向架模型

圖6 三角筋板與上蓋板連接處應力分布

最后采用Verity模塊提供的-2σ主S-N曲線,以垂向±0.3g加速度為加載條件,計算各焊縫細節(jié)的疲勞壽命。該例中,發(fā)生在三角筋板與上蓋板連接處壽命最短(圖7),計算循環(huán)次數為375.3萬次。計算結果表明,結構應力變化規(guī)律與給定載荷條件下結構剛度的變化規(guī)律一致,在靠近該筋板位置的腹板處開孔,引起該位置剛度下降,在心盤垂向交變載荷作用下,造成該處疲勞壽命相對較短,根據這一結果,設計師可以進一步優(yōu)化設計方案,并制訂相應的焊接工藝措施。

圖7 四軸焊接轉向架計算結果

上述實例表明,軟件系統(tǒng)各模塊可以有機配合,適應了用戶從初步方案設計到細節(jié)設計等不同設計階段的多種需求,有效地輔助了設計師開展抗疲勞設計。其中,無限壽命設計模塊及名義應力法疲勞計算模塊可以在方案設計初期進行高效疲勞壽命預估,結構應力反求模塊在方案修改階段更能發(fā)揮優(yōu)勢,而熱點應力法模塊及Verity法計算模塊能夠有效支持焊接結構的細節(jié)設計,提高焊接結構疲勞壽命預測的精度,更進一步完善產品的抗疲勞性能。

4 結論

(1)在多用戶網絡數據庫支持下,貨車焊接結構疲勞壽命預測系統(tǒng)各模塊相互配合,為用戶提供了國內外工程上最常用的焊接結構疲勞壽命預測方法,當用戶有不同的需求時,有充分的選擇空間。

(2)采用了最新Verity方法,可有效提高焊接結構疲勞壽命預測的精度;開發(fā)的結構應力反求模塊,能實現由已知設計壽命反求結構所需的應力,提高了系統(tǒng)的適應性;多層次網絡數據庫及模塊化設計技術,可以保證數據的安全、統(tǒng)一,并減少數據冗余。

(3)工程實例說明,在鐵路貨車產品方案設計階段,以這一軟件系統(tǒng)為平臺,可以對焊接結構的抗疲勞性能進行虛擬疲勞試驗,這對快速經濟地進行設計方案優(yōu)選有較高的實用價值。

[1] AAR Manual of Standards.M1001-2007 Design Fabrication and Construction of Freight Cars Section C Part II[S].America：AAR,2007.

[2] British Standard Institute.BS7608-1993 Fatigue Design and Assessment of Steel Structures[S].British：BSI,1993.

[3] IIW Joint Working Group.XIII1965-2003/XV1127-2003 IIW Document Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components[S].England：IIW/IIS,2003.

[4] ASME.VIII DIV 2-2007 ASM E Boiler and Pressure Vessel Code[S].New York：the American Society of Mechanical Engineers,2007.

[5] Dong P.A Structural Stress Definition and Numerical Implementation for Fatigue Analysis of Welded Joints[J].International Journal of Fatigue,2001,23(10)：865-876.

[6] Dong P,Prager M,Osage D.The Design Master S-N Curve in ASME DIV 2 Rewriteand Its Validations[J].Welding in the World,2007,51(5/6)：53-63.