重載鐵路貨車車體焊縫有限元分析

孟 勐

(齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

1 車體焊縫基本形式

1.1 搭接

搭接焊縫接頭在鐵路貨車中應(yīng)用較為廣泛，在焊接結(jié)構(gòu)中一般采取角焊縫施焊，通常以端面焊縫、側(cè)面焊縫或聯(lián)合焊縫等形式呈現(xiàn)。

1.2 對接

對接焊縫接頭連接的板材通常有一個微小交角，或者板材處于同一平面內(nèi)，焊縫形式一般有工形、V形、U形、雙X形、雙U形等。

1.3 角接

角接焊縫接頭在鐵路貨車車體的焊接中應(yīng)用廣泛，夾角的接頭稱為角接接頭，通常是指兩件端部構(gòu)成大于或等于30、小于或等于135。根據(jù)焊件的厚度不同，其坡口可分為I形、帶鈍邊J形、帶鈍邊雙單邊V形和K形等形式。

1.4 T形連接

T形焊縫接頭連接的板材，其節(jié)點板材開V形坡口，并焊接到主板材上，節(jié)點板材與主板材之間應(yīng)預(yù)留出一定間隙，在焊根處可加封底焊道。

重載鐵路貨車在運行過程中，由于車體焊縫的自身特點，決定其十分容易產(chǎn)生疲勞破壞，在車體焊接結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生焊縫表面存在氣孔、焊縫表面夾渣、焊縫成型差、焊縫咬邊現(xiàn)象等系列問題。同時，在車體的焊縫處容易發(fā)生焊接區(qū)域變形和應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

2 車體承受的載荷

2.1 縱向載荷

縱向載荷施加在從板座上，模擬車體運行時車鉤對其產(chǎn)生的牽引力。

2.2 垂向載荷

垂向載荷對車體的側(cè)墻、端墻和地板施加靜水壓力載荷，模擬車體裝滿貨物時的實際發(fā)生情況。該C80型不銹鋼敞車車體采用全鋼板材焊接而成，只有當(dāng)車體在承受交變載荷作用時，疲勞破壞才可能發(fā)生。而載荷的變化可以呈現(xiàn)出有規(guī)律的狀態(tài)，也可呈現(xiàn)出無規(guī)律的狀態(tài)，甚至是隨機的狀態(tài)。例如，鐵路貨車車體在運行時，車鉤所承受的載荷就是隨機的。實際上，很多因素都可以導(dǎo)致鐵路貨車車體產(chǎn)生縱向力。例如重載鐵路貨車啟動時產(chǎn)生的牽引力、車輛的速度和重量、機務(wù)人員的經(jīng)驗水平等都可使車體產(chǎn)生縱向力。當(dāng)重載鐵路貨車發(fā)生縱向沖擊時，車輛所處位置不同，所受力的大小也是不等的、不均勻的。

3 車體焊縫的有限元模型分析

3.1 Brick單元

在ANSYS軟件中，用彈性實體單元模擬C80型不銹鋼敞車車體的焊縫，根據(jù)焊縫的幾何形狀確定出模型中焊縫的直徑，為了確保車體的實際質(zhì)量和模型的質(zhì)量相同，先對模型進行實體網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格疏密程度，直接決定了模型的剛度。網(wǎng)格劃分越密集，模型的剛度就越小，就越接近車體焊縫的真實情況。當(dāng)網(wǎng)格密集到一定程度時，模型的剛度就會停止不再繼續(xù)減小。但是這種模型的建模復(fù)雜、且時間長，對車體的網(wǎng)格劃分有明顯約束作用。Brick單元對車體焊縫模擬的精度非常高，因為Brick單元對車體焊縫的模擬用接近真實車體的網(wǎng)格模型，它的剪切剛度和軸向剛度與實際真實車體的焊縫十分接近。其頻率的誤差范圍在±3%，與實際情況吻合較好，頻率越高說明相對誤差越小。

3.2 Beam單元

選取具備軸向彎曲效應(yīng)或者拉伸效應(yīng)的2節(jié)點梁單元模擬C80型不銹鋼敞車車體結(jié)構(gòu)的焊縫，Beam188單元截面的尺寸和形狀決定了模型的剛度。

Beam單元的優(yōu)勢在于建模時間非常短、模型簡單，對車體網(wǎng)格劃分的約束根據(jù)實際情況有大、有小。采用Beam 單元模擬車體的焊縫時，建議選用單個梁單元進行模擬車體的焊縫。其頻率的誤差范圍在±3%，與試驗的結(jié)果基本一致，試驗測試的傘狀梁單元和9個梁單元的模型誤差范圍大約在6%，這個數(shù)值的誤差有些偏大，主要原因在于第3階模態(tài)的頻率取決于車體焊縫模型的剛度。試驗數(shù)據(jù)表明，這2種單元模擬車體焊縫的剪切剛度偏大，同試驗結(jié)果對照，其相對誤差較大，模擬的精度偏低。

3.3 Shell單元

為了將Brick單元和Beam單元進行比對，對具有薄膜效應(yīng)和彎曲效應(yīng)的彈性殼單元模擬的車體焊點進行分析。這種模型簡單、建模時間短、網(wǎng)格的規(guī)整性較好、應(yīng)用廣泛對車體網(wǎng)格劃分的約束不明顯。缺點是不能很較好的模擬車體實際的焊縫質(zhì)量和剛度特性。

采用Shell單元模擬C80型不銹鋼敞車車體的焊縫時，第1階模態(tài)的頻率處的誤差大約為1%；第2階模態(tài)的頻率處的誤差大約為20%；第3階模態(tài)的頻率處的誤差大約為10%。試驗數(shù)據(jù)對比表明，在第1階模態(tài)的頻率下的誤差最小。

3.4 綜合評價

通過上述試驗對比，Brick單元模擬C80型不銹鋼敞車車體的焊縫精度最高，但建模時間較長，在對車體的單個焊縫進行研究時建議使用。但是對于重載鐵路貨車車體焊縫數(shù)量較多的情況，使用Brick單元模擬車體的焊縫顯然不太實用；相對Shell單元模擬車體的焊縫，雖然其建模方便且模型的整體性較好，但其模擬的情況和車體的實際情況對比相差較大，導(dǎo)致計算精度偏低；Beam單元模擬車體的焊縫時，選用單個梁單元進行建模時間最短，且精度最高，非常適合數(shù)量較多的焊縫模型。因此，在大量使用焊縫結(jié)構(gòu)的重載鐵路貨車車體焊縫強度分析時推薦采用單個梁單元模擬車體的焊縫。

4 疲勞載荷譜和車體焊縫的選取

4.1 縱向載荷譜

縱向載荷譜由某公司直接提供。本項目研發(fā)的C80型不銹鋼敞車車體設(shè)計的最低運營壽命≥30 年，運行里程年均25萬km，空車和重車里程比取值為 1∶1。

4.2 心盤載荷譜

心盤載荷譜參照M-1001-97《貨車設(shè)計制造規(guī)范》第七章貨車的疲勞設(shè)計中，通過將空車和重車心盤載荷線路環(huán)境事件的百分率譜換算，設(shè)軸重和垂向載荷成比例，計算出空車的垂向載荷換算系數(shù)取值0.7，重車的垂向載荷換算系數(shù)取值1.54。

根據(jù)車體的真實焊趾尺寸，創(chuàng)建涵蓋車體焊縫細節(jié)的有限元模型，這樣能準(zhǔn)確模擬車體實際焊接接縫處的剛度，可以提高對車體焊縫壽命評估的準(zhǔn)確性。采用主S-N曲線法可以實時評估車體有限元模型中的任意一條焊縫的壽命。在焊縫的選取時，沒有必要對車體有限元模型中所有構(gòu)件的焊縫都開展疲勞壽命評估。因此，車體焊縫疲勞評估時，對焊縫的選取原則是根據(jù)車體焊接形式和車體靜強度分析結(jié)果一起來確定車體的焊縫疲勞壽命評估的部位。車體在縱向載荷、垂向載荷共同作用下，車體的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖基于有限元模型的計算結(jié)果，確定了39條疲勞評估的車體焊縫。

5 車體的焊縫強度分析

本項目研發(fā)的C80型不銹鋼敞車車體的計算工況共39個，各個計算工況的載荷和約束條件均不相同。根據(jù)對重載鐵路貨車車體焊縫的剛度和靜強度的計算結(jié)果，在工況8滿足最大載荷+30%條件下，車體邊梁的垂向位移最大值為14.125mm，小于19mm。此計算數(shù)值滿足TB 10625-2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中對車輛設(shè)備的要求。

對重載鐵路貨車這種大范圍使用點焊的車體結(jié)構(gòu)，采用梁單元對重載鐵路貨車的車體焊縫進行有限元的模擬仿真是非常合理的；應(yīng)用TB 10625-2017《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，許用應(yīng)力的安全系數(shù)是1.15，對車體焊縫進行靜強度的分析；應(yīng)用主S-N曲線法對重載鐵路貨車車體的焊縫進行疲勞壽命預(yù)測，主S-N曲線法不僅考慮了車體的焊縫位置對應(yīng)力的影響，還考慮了車體焊縫位置的2個板件厚度對疲勞壽命預(yù)測的影響，實現(xiàn)了采用一條主S-N曲線對重載鐵路貨車車體的焊縫進行疲勞壽命評預(yù)測的方法。

應(yīng)用上述方法，通過分析計算車體在39個工況下的焊縫剛度和靜強度，通過不斷對車體的不合格位置進行優(yōu)化，最終使車體在39個工況下的Von.Mises應(yīng)力全部滿足靜強度要求。其中工況1的Von.Mises應(yīng)力值最大，為 473MPa，安全系數(shù)1.16。車體的其他位置安全系數(shù)全部小于1.15 的要求，達到了應(yīng)用上述方法來評價重載鐵路貨車車體的焊縫強度的目的。