張馨

(中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052)

鐵路貨車產(chǎn)品中，焊接是主要連接形式.一般敞車類產(chǎn)品焊縫總長約800 m，棚車類產(chǎn)品焊縫總長約1 100 m，以對(duì)接、角接形式為主，并且除地板、側(cè)墻板、端墻板拼接、中梁乙字鋼對(duì)接采用對(duì)接平焊縫形式，其余大多是角焊縫連接形式.對(duì)接焊縫的抗疲勞等級(jí)較高，貨車車體結(jié)構(gòu)疲勞性能評(píng)估中對(duì)角焊縫更為關(guān)注.

在鐵路貨車結(jié)構(gòu)疲勞性能評(píng)估研究中，謝素明等[1]基于名義應(yīng)力法和英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7608進(jìn)行了碳鋼客車車體結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估研究；李曉峰等[2]基于名義應(yīng)力法和AAR、IIw標(biāo)準(zhǔn)對(duì)礦石車車體焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞壽命評(píng)估研究；謝鳴等[3]基于等效熱點(diǎn)應(yīng)力法開展了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫疲勞壽命評(píng)估研究.英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7608、國際焊接協(xié)會(huì)的疲勞標(biāo)準(zhǔn)IIw中收錄了大量基于真實(shí)試驗(yàn)的焊接接頭數(shù)據(jù)(S-N曲線)，工程評(píng)估中可以參考使用.但實(shí)際工程應(yīng)用中常出現(xiàn)實(shí)際焊接接頭與標(biāo)準(zhǔn)收錄結(jié)構(gòu)形式不一致或載荷不一致的情況，近幾年由董平沙教授提出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法[4]可以很好地解決這一問題.兆文忠等[5]基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，對(duì)識(shí)別高速動(dòng)車組的角焊縫應(yīng)力集中開展了研究，驗(yàn)證了基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的識(shí)別方法可以相對(duì)準(zhǔn)確給出焊縫應(yīng)力集中的具體位置、峰值及焊縫壽命；薛俊謙等[6]、張露穎等[7]基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法在轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架、風(fēng)缸吊座部位進(jìn)行了壽命評(píng)估，得到了與實(shí)際壽命接近的結(jié)論.

使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法評(píng)估貨車車體復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命時(shí)，需要多個(gè)有限元軟件的共同配合.目前我公司采用自研軟件Fe_weld進(jìn)行焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力法疲勞評(píng)估，車體結(jié)構(gòu)建模、焊縫建模、焊線定義在Hypermesh中完成，靜力學(xué)計(jì)算通過ANSYS或Abaqus求解.在使用中發(fā)現(xiàn)Hypermesh的焊縫建模、焊線定義、Fe_weld焊線檢查頗費(fèi)人力，工作效率較低.本文針對(duì)貨車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)角焊縫壽命評(píng)估效率的問題，提出基于Hypermesh開發(fā)角焊縫快速建模工具.對(duì)Hypermesh及Fe_weld軟件已有功能進(jìn)行補(bǔ)充完善，并給出工程實(shí)例，驗(yàn)證開發(fā)工具功能.

1 角焊縫的單元質(zhì)量要求

開發(fā)適用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法疲勞評(píng)估的角焊縫快速建模工具，需要對(duì)有限元中如何求解角焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力有所了解，并根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法疲勞評(píng)估流程，得出對(duì)角焊縫的單元質(zhì)量要求.

1.1 角焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力的求解

依據(jù)董平沙教授提出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法[8]，把角焊縫接頭部位應(yīng)力分解成兩部分：一部分是結(jié)構(gòu)應(yīng)力,與外載荷平衡；另一部分是缺口應(yīng)力，可以自平衡.如圖1.

圖1 焊縫接頭部位的應(yīng)力分解

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)應(yīng)力由截面內(nèi)均勻分布的膜應(yīng)力σm及截面內(nèi)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σb構(gòu)成.

(1)

(2)

(3)

式中，t為板厚，F(xiàn)y，Mx分別是焊線單元長度上的力和力矩，又稱線力，線力矩.σx(y)為焊縫截面上沿厚度方向的應(yīng)力分布.

圖2 角焊縫節(jié)點(diǎn)力、線力

(4)

(5)

(6)

(7)

1.2 角焊縫建模質(zhì)量要求

基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫疲勞評(píng)估流程是通過節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)力矩求得線力和線力矩；根據(jù)線力、線力矩求得膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力；通過斷裂力學(xué)理論P(yáng)aris公式構(gòu)建應(yīng)力強(qiáng)度因子與接頭壽命的關(guān)系；再考慮不同的接頭形式、板材厚度、加載模式得出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力；最終以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力為參量求出焊縫疲勞壽命[8].所以節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)力矩的準(zhǔn)確性是疲勞壽命評(píng)估的基礎(chǔ)環(huán)節(jié).

為獲得焊縫部位相對(duì)準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)力和力矩，需要在單元位置、尺寸、質(zhì)量上嚴(yán)格要求.焊縫部位的單元建模履行以下要求：

(1)焊縫節(jié)點(diǎn)位置嚴(yán)格按照焊線實(shí)際尺寸確立；

(2)焊線上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)要多于5個(gè)；

(3)殼單元建模時(shí)焊縫所在平面內(nèi)的單元法線方向必須一致；

(4)焊趾單元為四邊形.

單條直線焊縫建模達(dá)到質(zhì)量要求較為容易，但焊縫回轉(zhuǎn)、多條焊縫交接時(shí)，焊縫建模較為復(fù)雜，如圖3所示.

圖3 復(fù)雜焊縫示意圖

這些位置在實(shí)際焊接中質(zhì)量不易保證，局部接頭受載復(fù)雜，也正是疲勞壽命的重點(diǎn)關(guān)注部位.

2 角焊縫單元快速建模工具開發(fā)

2.1 工具內(nèi)容

觀察分析鐵路貨車產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)中的角焊縫，其在空間最常見的交界方式可以分為三種類型：一字型、L型、Y型，這三種類型也代表了角焊縫焊線的一維、二維、三維分布形式，與焊線是否筆直無關(guān)，與連接件角度無關(guān).再接合雙面角焊縫、角焊縫封頭形式，基本可以組合出貨車結(jié)構(gòu)的所有角焊縫.根據(jù)這一思路，得出工具內(nèi)容如下：

(1)焊線由一字型、L型、Y型、雙面、封頭五種形式組合構(gòu)成；

(2)對(duì)一字型、L型、Y型、雙面焊、封頭每種形式進(jìn)行焊縫單元建模工具開發(fā).

根據(jù)原始網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置、尺寸確定焊縫單元的尺寸.根據(jù)原始網(wǎng)格方位確定焊縫單元的節(jié)點(diǎn)位置以及偏移參數(shù).基于原始連接網(wǎng)格交線進(jìn)行兩次偏置，先偏置焊縫寬度，后偏置焊趾寬度，偏置完畢后再根據(jù)焊縫、焊趾節(jié)點(diǎn)的空間位置連接生成網(wǎng)格.

對(duì)于L型、Y型接頭，增加交接位置的節(jié)點(diǎn)合理性判斷.對(duì)于雙面角焊縫，增加對(duì)兩側(cè)焊趾位置定義；對(duì)于封頭部位，增加定義封頭部位的環(huán)繞角度及單元個(gè)數(shù).

應(yīng)用時(shí)秉承先繁后簡思路.優(yōu)選處理焊線的交接部位，按照先三維、后二維、再雙面、再一維、后封頭的處理順序生成焊縫單元.

(3)與原始網(wǎng)格處理：新的焊縫網(wǎng)格單元生成后，與原始網(wǎng)格進(jìn)行壓印及重合節(jié)點(diǎn)處理.

(4)信息輸出：整理輸出焊縫單元及節(jié)點(diǎn)信息.

焊縫建模流程如圖4.

圖4 建模流程圖

2.2 工具功能

工具集分為焊縫單元?jiǎng)?chuàng)建工具集、焊縫單元編輯工具集、焊縫單元輸出工具集等三個(gè)核心部分.滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力法疲勞評(píng)估分析對(duì)角焊縫單元位置、尺寸和質(zhì)量要求.

(1)角焊縫單元?jiǎng)?chuàng)建工具集

包括 “一字型”、“L型”、“Y型”、“雙面角焊縫”、“封頭焊縫”共五種工具模塊，工具模塊可對(duì)角焊縫單元兩個(gè)方向的焊腳、焊趾寬度進(jìn)行定義，見圖5.

(a) Y型焊縫

使用建模工具建立的焊縫單元及焊趾單元如圖6所示.在保證單元質(zhì)量的前提下，充分考慮焊縫在轉(zhuǎn)折處的平滑過渡.

圖6 實(shí)際創(chuàng)建效果

(2)焊縫單元編輯工具集

包括 “單元壓印”“節(jié)點(diǎn)重合” “焊縫端頭封閉”“節(jié)點(diǎn)投影”“生成三維單元”等五種工具模塊.實(shí)現(xiàn)新生成的焊縫單元與原模型單元重合處理以及節(jié)點(diǎn)、單元的編輯、生成三維單元等功能.

(3)焊縫單元輸出工具

該工具實(shí)現(xiàn)“生成焊線”“焊線信息輸出”兩種功能.將節(jié)點(diǎn)連續(xù)的焊縫單元視為一條焊線，自動(dòng)規(guī)劃焊線，并自動(dòng)生成所有焊線節(jié)點(diǎn)及單元集合，同時(shí)導(dǎo)出包括每一條焊線的首末節(jié)點(diǎn)、首末單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)、單元數(shù)、焊縫單元厚度等信息文件.焊線的節(jié)點(diǎn)及單元集合可以被自研疲勞軟件FE_weld直接調(diào)取，配合ANSYS或Abaqus靜力學(xué)結(jié)果進(jìn)行焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的疲勞評(píng)估，信息文件可以用于FE_weld軟件對(duì)焊線進(jìn)行檢查.

2.3 界面設(shè)計(jì)

焊接工具集界面與HYPERMESH主界面統(tǒng)一，原有的軟件功能均可使用，參見圖7.在該功能界面中，左側(cè)標(biāo)簽頁是焊縫工具模塊界面，用戶點(diǎn)擊調(diào)用，設(shè)置接頭的參數(shù)如焊腳高度、焊趾寬度等信息后，依照功能提示即可完成焊縫網(wǎng)格創(chuàng)建.

圖7 焊縫工具集主操作界面

3 工程實(shí)例

用角焊縫快速建模工具及FE_weld，對(duì)我公司研發(fā)的某快捷棚車的全部底架懸吊件焊縫進(jìn)行了建模及疲勞評(píng)估.該快捷棚車懸吊件部件有控制閥、防滑閥、風(fēng)缸、管接頭等，各類安裝座與車體底架的連接焊縫共有84條，見表1.

表1 快捷棚車懸吊件焊縫列表

部分安裝座結(jié)構(gòu)及角焊縫單元如圖8.

原有手工創(chuàng)建一條焊縫單元需要經(jīng)過測量距離、分劈單元、創(chuàng)建單元、單元重新劃分、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、對(duì)齊節(jié)點(diǎn)、建立set節(jié)點(diǎn)集、單元集、記錄焊線信息等十幾步操作，要完成所有84條焊縫建模，大約需要40 h.使用二次開發(fā)的角焊縫建模工具后，建模時(shí)間縮短為4 h，人機(jī)操作更為簡便.通過使用快速建模工具生成的焊縫單元沒有翹曲單元，單元的長寬比、扭曲角、雅克比、最大小角度都在合理范圍內(nèi)，滿足質(zhì)量要求；自動(dòng)輸出的焊縫信息文件可以方便地被FE_weld軟件使用，如圖9所示.

圖9 信息對(duì)照示意圖

在FE_weld軟件中對(duì)該快捷棚車的懸吊件吊座依據(jù)EN 12663標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了三種疲勞工況分析：垂向1±0.3 g、縱向±0.3 g、橫向±0.4 g，載荷循環(huán)數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的107進(jìn)行考核.計(jì)算結(jié)果表明：防滑閥座與中梁腹板焊縫位置處疲勞壽命最小，該條焊縫的最大合成損傷為0.254,其中在垂向工況時(shí)損傷最大，以該工況為例，顯示其結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖10所示.

圖10 防滑閥座焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布曲線

4 結(jié)論

(1)應(yīng)用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法評(píng)估貨車車體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的角焊縫疲勞壽命，分析角焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力以及焊縫建模質(zhì)量要求；

(2)通過將角焊縫從結(jié)構(gòu)上劃分為一字型、L型、Y型、雙面、封頭五種形式，進(jìn)行快速建模工具開發(fā).快速建模工具提供焊縫單元?jiǎng)?chuàng)建、模型單元編輯，自動(dòng)創(chuàng)建焊線及信息輸出處理等三類主要功能，在疲勞評(píng)估工作中與企業(yè)自研結(jié)構(gòu)應(yīng)力法軟件FE_weld更好地銜接配合；

(3)以快速建模工具及企業(yè)自研結(jié)構(gòu)應(yīng)力法軟件相配合， 以 快 捷 棚車的全部懸吊件焊縫疲勞評(píng)估作為應(yīng)用實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全部角焊縫的快速建模，焊縫單元符合質(zhì)量要求，將原有40 h的建模工作量縮短為4 h，解決了結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的評(píng)估效率問題.