程亞軍 , 張春玉，謝素明

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長春130062;2. 大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0　引言

軌道車輛不銹鋼車體主要薄板部件之間通過點(diǎn)焊連接，少的有2～3層，多的甚至達(dá)到5層；外載荷是通過焊點(diǎn)傳遞到車體各部件的，所以，軌道車輛不銹鋼車體是典型的薄壁筒型整體承載的"點(diǎn)"傳力結(jié)構(gòu)，其焊點(diǎn)強(qiáng)度直接決定著車體強(qiáng)度.面對當(dāng)前需求多樣的、競爭日趨白熱化的國際市場，如何設(shè)計(jì)出高強(qiáng)度的不銹鋼車體已成為軌道車輛主機(jī)廠重點(diǎn)關(guān)注的問題之一.不銹鋼點(diǎn)焊車體性能方面的研究主要有：基于有限元數(shù)值模擬技術(shù)，姚亞濤等從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力流傳遞的角度，對200 km/h客車不銹鋼車體失穩(wěn)部位進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)[1]；在車鉤縱向壓縮作用下，劉婷婷等對點(diǎn)焊車車體進(jìn)行線性穩(wěn)定分析，結(jié)果表明加密焊點(diǎn)可以增強(qiáng)側(cè)墻的穩(wěn)定性[2].謝素明等研究某不銹鋼點(diǎn)焊車體的車頂焊點(diǎn)數(shù)量對車頂縱向剛度的影響以及車頂各區(qū)域發(fā)生屈曲的順序，確定弧頂區(qū)域可減少3000多焊點(diǎn)的布置方案[3]；在EN12663-1∶2010標(biāo)準(zhǔn)提供的車體載荷譜作用下，謝素明等應(yīng)用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法[4-6]，分析了某不銹鋼車體主橫梁與底架邊梁區(qū)域的點(diǎn)焊接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律，并對這些焊點(diǎn)進(jìn)行了壽命預(yù)測[7].

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法評估焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命時(shí)，焊點(diǎn)區(qū)域需采用至少8個(gè)三角形殼單元，焊核周圍與板材過渡區(qū)域須由至少8個(gè)四邊形殼單元組成.數(shù)以萬計(jì)的車體焊點(diǎn)如果這樣建模，整車有限元模型規(guī)模會(huì)非常龐大、計(jì)算將極為耗時(shí)，最終會(huì)導(dǎo)致在車體設(shè)計(jì)階段無法開展焊點(diǎn)疲勞評估工作.因此，本文重點(diǎn)關(guān)注如何在不銹鋼車體的設(shè)計(jì)階段快速開展焊點(diǎn)強(qiáng)度的評估.為此，歸納總結(jié)了英國EN 15085-3∶2007標(biāo)準(zhǔn)[8]和美國AWS C1.1M/ C1.1-2000標(biāo)準(zhǔn)[9]中焊點(diǎn)最小剪力與基本金屬的強(qiáng)度、板厚及焊核直徑的關(guān)系，以及焊點(diǎn)的各類疲勞評估方法的特點(diǎn)，并基于國際標(biāo)準(zhǔn)和接頭疲勞試驗(yàn)及有限元模型對某出口不銹鋼車體的焊點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行了評估.

1　點(diǎn)焊靜強(qiáng)度評估方法及應(yīng)用

焊點(diǎn)接頭的數(shù)值模擬方法主要有：梁單元或剛性單元及三維實(shí)體單元，后者能夠較好地計(jì)算局部焊點(diǎn)應(yīng)力.對于復(fù)雜不銹鋼點(diǎn)焊整車車體結(jié)構(gòu)有限元分析，直接計(jì)算局部焊點(diǎn)應(yīng)力是不實(shí)際的，因此，通常采用梁單元模擬焊點(diǎn)，被連接薄板采用薄殼單元模擬.

1.1　點(diǎn)焊靜強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)

英國標(biāo)準(zhǔn)EN 15085-3:2007和美國標(biāo)準(zhǔn)AWS C1.1M/C1.1-2012推薦使用焊點(diǎn)的最小剪切力來評價(jià)焊點(diǎn)強(qiáng)度，前者基本金屬的抗拉強(qiáng)度范圍為360～620 MPa、板厚范圍為0.8～3.0mm、焊核直徑范圍為4.5～8.5 mm；后者基本金屬的抗拉強(qiáng)度范圍為大于480 MPa、板厚范圍為0.15～3.18 mm、焊核直徑范圍為1.14 ～ 7.62mm.AWS C1.1M/C1.1-2012標(biāo)準(zhǔn)的板厚范圍更廣一些.由幾種不同抗拉強(qiáng)度的基本材料組成的組合，應(yīng)當(dāng)選用抗拉強(qiáng)度值較小的材料，焊點(diǎn)剪切力取決于焊核直徑和層板的最小厚度.

由這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可以看出：基本金屬的抗拉強(qiáng)度范圍和板厚基本相同時(shí)，焊核直徑較大的最低剪切力較大，例如①：抗拉強(qiáng)度范圍為480～620MPa時(shí)，EN 15085的板厚為1.0 mm，焊核直徑為5.0 mm，最低剪切力是6.0～8.0 kN；AWS C1.1M/C1.1的板厚為1.02 mm；焊核直徑為4.06 mm，最低剪切力是4.45 kN；例如②：抗拉強(qiáng)度范圍為480～620 MPa時(shí)，EN 15085的板厚為0.8 mm，焊核直徑為4.5 mm，最低剪切力是4.5～6.0 kN；AWS C1.1M/C1.1的板厚為0.78 mm，焊核直徑為3.30 mm，最低剪切力是3.02 kN.

基本金屬的抗拉強(qiáng)度范圍和焊核直徑基本相同時(shí)，板厚較大的最低剪切力較大，例如①：抗拉強(qiáng)度范圍為480～620 MPa時(shí)，EN 15085的板厚為0.8 mm，焊核直徑為4.5 mm，最低剪切力是4.5～6.0 kN；標(biāo)準(zhǔn)AWS C1.1M/C1.1的板厚為1.14 mm；焊核直徑為4.57 mm，最低剪切力是5.34 kN；例如②：抗拉強(qiáng)度范圍是480～620 MPa時(shí)，EN 15085的板厚為1.25 mm，焊核直徑為5.5mm，最低剪切力是7.5～10.0 kN；AWS C1.1M/C1.1的板厚為1.57 mm；焊核直徑為5.59mm，最低剪切力是8.67 kN.

利用上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)提供的鋼材的電接觸點(diǎn)焊的最低許用剪切力可以對不銹鋼點(diǎn)焊靜強(qiáng)度進(jìn)行評估，對于使用Beam188單元來模擬點(diǎn)焊接頭的有限元模型，在有限元輸出結(jié)果中，可以提取出梁單元在X軸和Y軸兩個(gè)方向的剪切力，利用它們的合力來評價(jià)點(diǎn)焊的強(qiáng)度.如果產(chǎn)品技術(shù)要求中對焊點(diǎn)軸向力有要求時(shí)，可以依照澳洲不銹鋼點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)《AS-NZS-4673-2001》，取剪切強(qiáng)度的0.25倍作為焊點(diǎn)的許用拉伸強(qiáng)度，這時(shí)在有限元輸出結(jié)果中，還要提取出梁單元的軸向力.

1.2　車體點(diǎn)焊靜強(qiáng)度評估

某出口不銹鋼車體大量使用點(diǎn)焊，底架波紋地板與底架橫梁依靠點(diǎn)焊連接，側(cè)墻和車頂?shù)谋“逯g也依靠點(diǎn)焊連接，車體有限元模型及超載狀態(tài)的縱向壓縮工況的邊界條件如圖1所示，兩端防爬器施加縱向載荷890 kN和縱向位移約束；車體自重以重力加速度(9 810 mm/s2)的形式施加；乘客重量163.43 kN以均布載荷形式施加在底架乘客區(qū)域；其它重量以質(zhì)量單元形式施加在地板上.依據(jù)AWS C1.1M/C1.1-2012，表1列出了該車體壓縮工況下點(diǎn)焊評估時(shí)的許用最小剪切力.

車體FEM模型中采用Beam188單元模擬點(diǎn)焊連接.先從有限元分析結(jié)果中提取梁單元的軸向力和剪切力；然后，合成兩個(gè)方向剪力；最后，使用合成剪力評估點(diǎn)焊強(qiáng)度.車體底架和側(cè)墻和車頂焊點(diǎn)的合成剪力見圖2，圖中水平點(diǎn)劃線為安全系數(shù)為0.9時(shí)的許用剪力.由圖2可以看出：車頂和側(cè)墻的焊點(diǎn)強(qiáng)度基本滿足設(shè)計(jì)要求，僅有幾個(gè)大于其許用值；底架焊點(diǎn)設(shè)計(jì)存在問題，需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)焊點(diǎn)設(shè)計(jì).

圖1　出口不銹鋼車體的有限元模型及計(jì)算邊界條件

有限元模型中焊點(diǎn)AWSC1．1M/C1．1-2012推薦數(shù)值位置焊核直徑/mm最小板厚板厚/mm焊核直徑mm基本金屬抗拉強(qiáng)度/MPa最小剪力/kN插值得到剪力kN底架4．00．6mm301LN-1/4H0．532．548252．090．643．058252．671．986．9882516．122．46車頂6．01．5mm301LN-1/16H1．425．336908．901．575．5969010．679．84側(cè)墻7．02．0mm301LN-1/8H3．187．6276026．691．575．5976010．671．786．3576012．4616．24

圖2　超載狀態(tài)的縱向壓縮工況下車體部件焊點(diǎn)的合成剪力

2　點(diǎn)焊疲勞壽命評估方法及應(yīng)用

點(diǎn)焊疲勞失效通常考慮兩個(gè)方面：失效驅(qū)動(dòng)力和失效抗力，前者是由計(jì)算得到的載荷，后者是由試驗(yàn)確定的材料性能.驅(qū)動(dòng)力主要決定于外載荷和結(jié)構(gòu)幾何；失效抗力主要決定于材料的微觀組織和內(nèi)部組成.通過比較這兩個(gè)方面，建立安全評估或失效準(zhǔn)則.點(diǎn)焊疲勞壽命預(yù)測方法可統(tǒng)稱為疲勞失效參數(shù)(結(jié)構(gòu)應(yīng)力、缺口應(yīng)力、應(yīng)力強(qiáng)度因子及其它斷裂力學(xué)參數(shù))方法.即，利用焊點(diǎn)接頭分析模型確定外載荷作用下的應(yīng)力、變形，或者應(yīng)力強(qiáng)度，再將這些變量與失效參數(shù)相關(guān)聯(lián)，并由試樣試驗(yàn)進(jìn)行校正.

2.1　點(diǎn)焊疲勞評估方法

分析焊點(diǎn)疲勞壽命最直接和易于理解的一種方法是載荷-壽命方法，該方法的失效參數(shù)為焊核面內(nèi)剪力.焊點(diǎn)剪力歷程經(jīng)過雨流計(jì)數(shù)，對每一載荷級的疲勞損傷累積.該方法要求點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)參數(shù)的基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)要存在，包括板厚和焊核的直徑、材料參數(shù)不僅要包括母材的而且要包括依賴焊接過程的焊縫熱影響區(qū)域的材料性能.如果有充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該方法不需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析就可得到可靠的結(jié)果.

結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析方法的目的是對點(diǎn)焊接頭裂紋初始位置的應(yīng)力臨界狀態(tài)特征化，將其歸結(jié)為與焊核力、力矩、連接幾何(焊核直徑和板厚)相關(guān)的失效參數(shù).這些參數(shù)通常借助與焊核承載線性相關(guān)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力或名義應(yīng)力表示.這類方法也引入因子以考慮載荷模式及幾何的影響.這類方法彼此之間的區(qū)別在于如何由接頭的幾何和承載確定應(yīng)力的具體方式(區(qū)別在于確定應(yīng)力的方法不同).考慮到通過有限元分析獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)點(diǎn)焊詳細(xì)應(yīng)力分析成本高，并缺乏合適的塑性變形模型，對于工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，承載的點(diǎn)焊接頭局部名義結(jié)構(gòu)應(yīng)力與其疲勞壽命才是實(shí)用的.基于梁、薄板、板理論，采用梁單元模擬焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)有限元模型分析焊核截面的力和力矩，計(jì)算這些局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

公稱應(yīng)力Maddox公式法評估點(diǎn)焊板材疲勞時(shí)，公稱應(yīng)力的計(jì)算公式為

(1)

其中，當(dāng)焊點(diǎn)聯(lián)接兩個(gè)不同厚度的薄板時(shí)，t取較小板厚；D為焊核直徑；b為焊點(diǎn)間距.焊點(diǎn)疲勞評估時(shí)，利用式(1)計(jì)算焊點(diǎn)的公稱應(yīng)力；然后，采用IIW2008標(biāo)準(zhǔn)中FAT等級125，或BS7608中C級或日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(JSSC)的C級的S-N曲線得到壽命次數(shù).

剪切應(yīng)力法評估點(diǎn)焊疲勞時(shí)，剪切應(yīng)力的計(jì)算公式為

(2)

焊點(diǎn)疲勞評估時(shí)，利用式(2)計(jì)算焊點(diǎn)的剪切應(yīng)力；然后，利用Δτ-N關(guān)系曲線得到壽命次數(shù).多疲勞載荷工況作用下的焊點(diǎn)疲勞評估時(shí)，首先需要計(jì)算各工況的焊點(diǎn)的壽命次數(shù)及損傷比；然后，根據(jù)Palmgren-Miner法則，將各工況的損傷比求和，獲得焊點(diǎn)的累積損傷.

應(yīng)力強(qiáng)度因子法的實(shí)質(zhì)是確定焊點(diǎn)處應(yīng)力強(qiáng)度因子.理論上講，承載點(diǎn)焊接頭的應(yīng)力強(qiáng)度因子可借助焊點(diǎn)附近網(wǎng)格細(xì)化的三維實(shí)體單元，通過有限元方法直接計(jì)算得到.但是對于軌道車輛點(diǎn)焊車體來說，不可能細(xì)化單個(gè)焊點(diǎn)，實(shí)際的建模方法是用殼單元模擬連接板，用梁單元模擬連接板的焊點(diǎn)，并不細(xì)化焊點(diǎn)周圍的單元，顯然這樣獲得的結(jié)構(gòu)應(yīng)力精度很低.這種情況下，可以利用模擬焊點(diǎn)傳遞力和力矩的梁單元的內(nèi)力(Fx,Fy,Fz)和力矩(Mx,My,Mz)，計(jì)算點(diǎn)焊接頭的應(yīng)力強(qiáng)度因子[10].基于焊點(diǎn)內(nèi)力的兩相同材料、相同厚度(或者不同厚度)板的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式為

(3)

基于這些失效參數(shù)分析軌道車輛點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)時(shí)，點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行單位載荷作用下的彈性有限元分析，然后，由結(jié)構(gòu)承載歷程線性推出失效參數(shù)的時(shí)間歷程.對于大規(guī)模結(jié)構(gòu)有限元分析，直接計(jì)算局部焊點(diǎn)應(yīng)力是不實(shí)際的，所以，通常點(diǎn)焊失效參數(shù)時(shí)間歷程，如等效力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力或應(yīng)力強(qiáng)度由局部力的分量確定.變幅載荷下的疲勞累積損傷則由失效參數(shù)歷程的雨流計(jì)數(shù)、失效參數(shù)-壽命曲線、以及每一指定循環(huán)次數(shù)的損傷決定.

2.2　車體點(diǎn)焊疲勞評估

出口不銹鋼車體疲勞設(shè)計(jì)要求：在AW3(超載狀態(tài)車體的重量)載荷條件下，車輛焊點(diǎn)能夠承受107次垂向振動(dòng)加速度為±0.3 g的循環(huán)載荷.焊點(diǎn)疲勞分析時(shí)，車體模型的邊界條件為四個(gè)空簧均施加垂向位移約束，然后一側(cè)的兩個(gè)空簧再施加橫向位移約束，一端的兩個(gè)空簧再施加縱向位移約束.焊點(diǎn)評估是基于焊點(diǎn)內(nèi)力的變化范圍.焊點(diǎn)的梁單元內(nèi)力應(yīng)從工況+0.3 g AW3和工況-0.3 g AW3提取，然后通過兩者的矢量相減獲得梁單元力的變化范圍.

疲勞載荷工況作用下，車體底架、側(cè)墻及車頂焊點(diǎn)的剪力變化范圍如圖3所示，其中底架有三個(gè)焊點(diǎn)的梁單元內(nèi)力較大，參見表2(表中Fa為梁單元軸向力；Fy和Fz分別為梁單元的剪切力；Far為梁單元軸向力變化范圍；Fyr和Fzr分別為梁單元的剪切力變化范圍).由表2可以看出，編號為7 755 626的梁單元的合成剪力變化范圍最大，值為3 304.4 N，小于疲勞許用門檻值5 090 N(焊點(diǎn)疲勞參數(shù)來自文獻(xiàn)[11]).

圖3　疲勞載荷工況下車體焊點(diǎn)剪力變化范圍

單元數(shù)梁單元節(jié)點(diǎn)力/N+0．3g×AW3-0．3g×AW3FaFyFzFaFyFz工況+0．3gAW3和工況-0．3gAW3矢量相減(范圍)FarFyrFzr合成剪力77556261278．7-3760-6092．7688．55-2024．6-3280．7590．21735．42812．03304．421910421370．34158．6-422．35737．842239．2-227．42632．51919．4194．91929．37779819-45．66356．6573197．5-24．58830．5081721．821．126．11475．71475．9

3　結(jié)論

(1)焊點(diǎn)剪切力取決于焊核直徑和板厚.基本金屬的抗拉強(qiáng)度范圍和板厚基本相同時(shí)，焊核直徑較大的最低剪切力較大；基本金屬的抗拉強(qiáng)度范圍和焊核直徑基本相同時(shí)，板厚較大的最低剪拉力較大；

(2)某出口不銹鋼車體FEM中用梁單元模擬點(diǎn)焊接頭被連接薄板采用薄殼單元模擬，并提取出有限元輸出結(jié)果梁單元的兩方向的剪切力，利用它們的合力，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)車體焊點(diǎn)靜強(qiáng)度，該車體底架焊點(diǎn)設(shè)計(jì)存在問題，需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)焊點(diǎn)設(shè)計(jì)；利用梁單元的合成剪力變化范圍，并結(jié)合點(diǎn)焊接頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對不銹鋼車體焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞評估.結(jié)果表明，該車體焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；這種快速有效焊點(diǎn)強(qiáng)度評估方法尤其適用于不銹鋼點(diǎn)焊車體的設(shè)計(jì)階段.

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