李曉峰，王宇，李光，李向偉

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，齊齊哈爾 161002)

0 引言

焊接是一種在連接金屬結(jié)構(gòu)中既有效又經(jīng)濟(jì)的連接方式，是現(xiàn)代生產(chǎn)制造業(yè)采用的最主要的連接方式之一，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛、建筑等工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，但是由于在焊接過(guò)程中難免會(huì)伴隨著各種缺陷和一些難以控制的因素，如應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力等，因而導(dǎo)致了焊縫成為最薄弱環(huán)節(jié)，焊縫的壽命也往往都要低于母材的壽命，所以焊縫的位置通常是容易發(fā)生疲勞破壞的位置.不同于其它的一些應(yīng)用于海上運(yùn)輸罐式集裝箱，本文研究的罐式集裝箱主要應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸.該集裝箱在線路上使用一段時(shí)間后，在箱體框架的焊縫出現(xiàn)了疲勞裂紋，針對(duì)此條焊縫，維修中采用了加補(bǔ)強(qiáng)板的補(bǔ)強(qiáng)方案，為了確定原結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋的原因以及補(bǔ)強(qiáng)方案的有效性，引用了美國(guó)2007年ASME標(biāo)準(zhǔn)中最新的網(wǎng)格不敏感的主S-N曲線法［1-3］對(duì)該處焊縫進(jìn)行了有限元建模，并對(duì)原結(jié)構(gòu)與補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊縫壽命進(jìn)行了對(duì)比并得出相應(yīng)的結(jié)論和一些建議.

1 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的基本原理

1.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義

在焊趾缺口附近沿板厚方向的應(yīng)力分布通常是非線性的，焊趾部位垂直于豎向假設(shè)裂紋面的實(shí)際正應(yīng)力分布如圖1所示.按平衡等效條件，該實(shí)際缺口處的正應(yīng)力可分解為沿板厚t分布的膜正應(yīng)力σm、彎曲正應(yīng)力σb和非線性正應(yīng)力峰值σp，結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs即定義為焊趾表面膜正應(yīng)力σM和彎曲正應(yīng)力σB之和.

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力組成

當(dāng)結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，由外力引起的焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs與外載荷平衡，非線性正應(yīng)力峰值σp是自平衡的殘余應(yīng)力.σm和σb對(duì)疲勞起主導(dǎo)作用.已知焊趾處的線載荷f，線彎矩m和板厚t.根據(jù)力平衡和彎矩平衡方程即可求出焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值σs結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

σs為所求結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，該值的大小對(duì)有限元網(wǎng)格不敏感.另外，當(dāng)有較大剪切力存大時(shí)，還應(yīng)計(jì)入剪應(yīng)力對(duì)疲勞性能的影響，剪應(yīng)力的計(jì)算方法與上述過(guò)程相似.

1.2 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力是以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為控制參數(shù)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合疲勞壽命直接相關(guān)的應(yīng)力參數(shù)，在這個(gè)基于斷裂力學(xué)表達(dá)式的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力中，不僅考慮焊趾缺口、焊接接頭板的厚度的影響、載荷模式的影響，也考慮了應(yīng)力集中的影響，并以這些影響因素為參數(shù)導(dǎo)出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程.等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程為:

以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍ΔSS為參數(shù)的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計(jì)算公式為

式中，m=3.6;t為板厚;I(r)為彎曲度比r的無(wú)量綱函數(shù)(R=Δσb/Δσs);Cd及h為主S-N曲線試驗(yàn)常數(shù);N為代表疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)［4-5］.

圖2 主S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖2來(lái)看，新定義的S-N曲線方程與BS標(biāo)準(zhǔn)中基于名義應(yīng)力的S-N曲線方程形式上基本是相同的，但是，主S-N曲線方程中用變化范圍度量的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力并不是針對(duì)某一個(gè)具體的焊接接頭形式而提出的，它是將反映應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接接頭的板的厚度、外載荷引起的膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之間的比例進(jìn)行了綜合，因而對(duì)任何走向的焊縫都有效.

2 含焊縫細(xì)節(jié)的計(jì)算模型

2.1 原始方案的計(jì)算模型

原方案焊縫的疲勞裂紋出現(xiàn)在罐體框架上，如圖3所示，該罐體框架上的其它幾個(gè)對(duì)稱部位均有類似形式的疲勞裂紋，因此建立包含焊縫細(xì)節(jié)在內(nèi)的部件有限元模型.

圖3 原方案局部細(xì)節(jié)

有限元的建模過(guò)程采用原結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行建模，利用殼單元(SHELL63)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散，罐體及框架共離散為24296個(gè)單元和23962個(gè)節(jié)點(diǎn).模型的載荷及約束條件均按規(guī)定進(jìn)行施加.如圖4所示.

圖4 原方案1/4模型有限元網(wǎng)格

2.2 補(bǔ)強(qiáng)方案的計(jì)算模型

為了降低問(wèn)題焊縫的應(yīng)力幅值，補(bǔ)強(qiáng)方案的措施是在出現(xiàn)疲勞裂紋的焊縫的外表面焊接一塊6mm厚的補(bǔ)強(qiáng)板，該補(bǔ)強(qiáng)板只有四周通過(guò)焊接與框架連接.并且在框架上焊接了兩塊肋板.如圖5所示.補(bǔ)強(qiáng)方案與原方案相比增加了兩塊肋板和一塊補(bǔ)強(qiáng)板.其它的結(jié)構(gòu)尺寸不變，補(bǔ)強(qiáng)方案較原方案增加了兩條焊縫，圖6為含焊縫細(xì)節(jié)的補(bǔ)強(qiáng)方案的有限元模型.

圖5 補(bǔ)強(qiáng)方案局部細(xì)節(jié)

圖6 補(bǔ)強(qiáng)方案1/4模型有限元網(wǎng)格

3 兩種方案焊縫等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

3.1 問(wèn)題焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對(duì)比

通過(guò)對(duì)箱體的橫向、縱向和垂向三種載荷進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)垂向載荷對(duì)出現(xiàn)裂紋焊縫的影響較大，因此判定垂向載荷的變化引發(fā)疲勞的主要載荷.因此對(duì)比了原結(jié)構(gòu)與補(bǔ)強(qiáng)方案出現(xiàn)疲勞裂紋的焊縫在垂向載荷作用下的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖7所示.

圖7 兩種方案等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布對(duì)比

經(jīng)過(guò)對(duì)比計(jì)算可以看出，原結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)疲勞裂紋處的焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值為－350 MPa，補(bǔ)強(qiáng)之后降為 －242 MPa，由于兩條焊縫的細(xì)節(jié)條件相同，所以可以肯定補(bǔ)強(qiáng)方案的焊縫壽命一定會(huì)高于原方案，補(bǔ)強(qiáng)對(duì)與提高焊縫的抗疲勞能力是起到了作用的.

3.2 補(bǔ)強(qiáng)板上焊縫焊趾上的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力

為了對(duì)原方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)方案所增加補(bǔ)強(qiáng)板的焊接位置(圖6)，補(bǔ)強(qiáng)板上的焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9.計(jì)算結(jié)果表明補(bǔ)強(qiáng)板上的焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值分別為－10.3 MPa和－87 MPa，遠(yuǎn)低于出現(xiàn)疲勞破壞的焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算值，這表明補(bǔ)強(qiáng)本身是安全的.

圖8 補(bǔ)強(qiáng)板焊縫1上等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖9 補(bǔ)強(qiáng)板焊縫2上等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

4 疲勞損傷累積計(jì)算結(jié)果與對(duì)比

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算能夠反應(yīng)出改進(jìn)方案確實(shí)對(duì)提高焊縫的壽命有幫助，但為了準(zhǔn)確計(jì)算出改進(jìn)方案的效果，還必須通過(guò)計(jì)算疲勞損傷而量化.鐵路上運(yùn)輸集裝箱往往采用集裝箱平車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，因而采用AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)M-1001-97《貨車(chē)設(shè)計(jì)制造規(guī)范》第7章新造貨車(chē)的疲勞設(shè)計(jì)中的“聯(lián)運(yùn)車(chē)組重車(chē)關(guān)節(jié)連接器垂向載荷的線路環(huán)境事件百分率譜”，最后遵照Miner's損傷累積理論，又分別對(duì)原結(jié)構(gòu)和補(bǔ)強(qiáng)方案中上述重要焊縫的焊趾進(jìn)行了疲勞損傷累積計(jì)算［6］.

經(jīng)過(guò)對(duì)載荷譜的計(jì)算，并遵照Miner's損傷累積理論得出兩種方案的焊縫的疲勞壽命如附表所示.

附表 兩種方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與壽命里程對(duì)比

附表中計(jì)算的壽命里程為重車(chē)情況下計(jì)算得到的，若按空重比為1∶1的情況計(jì)算，按重車(chē)每年運(yùn)行125 000 km，可以看到原方案的中的焊縫僅僅可以運(yùn)行0.186年，這還是比較符合實(shí)際的運(yùn)行情況.

5 結(jié)論

(1)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法充分考慮焊趾缺口、焊接接頭板的厚度、載荷模式的影響，也考慮了應(yīng)力集中的影響，并用一條主S-N曲線取代了其他標(biāo)準(zhǔn)的各種不同接頭的S-N曲線，從而使得計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確更接近真實(shí)值;

(2)原結(jié)構(gòu)焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較大，因而使得焊縫的疲勞壽命比較小，這一點(diǎn)與實(shí)際情況吻合.等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法可以有效反應(yīng)出焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中;

(3)較之原結(jié)構(gòu)，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)提高原結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞壽命起到了一定作用，但從計(jì)算結(jié)果來(lái)看來(lái)原焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍然比較大，疲勞壽命依然很小，增加該處補(bǔ)強(qiáng)板不能從根本上提高原焊縫的抗疲勞能力.

［1］Fatigue Assessment of Welds-Elastic Analysis and Structural Stress［M］.ASME Div 2，2007.

［2］李曉峰，謝素明，時(shí)慧焯，等.車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28(3):74-77.

［3］謝素明，程亞軍，兆文忠.貨車(chē)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)研究［J］.鐵道車(chē)輛，2006，44(6):1-5.

［4］DON G P.A Structural Stress Definition and Numerical Implementation for Fatigue Analysis of Welded Joints［J］.International Journal of Fatigue，2001 ，23(10):865-2876.

［5］DONG P，HONG J K.Analysis of Recent Fatigue Data Using the Structural Stress Procedure in ASME Div 2 Rewrite［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2007，129:355-362.

［6］美國(guó)鐵道協(xié)會(huì)(AAR).機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)C分冊(cè)［M］.青島:鐵道部四方車(chē)輛研究所，1986.