軌道車輛復雜承載焊接結構的抗疲勞設計

謝素明 ,范文杰 ,牛春亮,2 ,周曉坤,3

(1. 大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028;2. 大連海洋大學 機械與動力工程學院,遼寧 大連 116023;3. 中車齊齊哈爾車輛有限公司,黑龍江 齊齊哈爾 161002)

焊接作為軌道車輛復雜承載部件主要連接方式,優(yōu)點眾多,但其疲勞裂紋問題一直困擾著軌道車輛運行安全。面對當今軌道車輛高速和重載的發(fā)展方向,如何保證復雜且多樣承載焊接接頭良好的疲勞性能是承載焊接結構設計亟須解決的難題。

試驗數(shù)據(jù)證明,焊接接頭疲勞獨具特征:平均應力對疲勞影響甚微;幾何形狀不同的焊接接頭S-N曲線具有一致的斜率;母材材料強度對焊接接頭S-N曲線數(shù)據(jù)沒有影響;固定的疲勞破壞模式[1]。

當前工業(yè)標準如AAR[2]、BS 7608[3]、IIW[4]以及其他行業(yè)標準[5-7]等在焊接接頭疲勞評估方面,發(fā)揮了重要的作用,但也一直存在兩個局限性問題難以解決:一是網(wǎng)格敏感性,采用有限元法分析時難以描述精確的名義應力值;二是對號入座難,工程結構中很難找到與實驗室一致的焊接接頭形式[8]。針對這種局限性,美國ASME標準中的結構應力法給出了解決方案,采用網(wǎng)格不敏感的結構應力法,計算任意空間焊縫的應力集中,然后用一條主S-N曲線的數(shù)學模型,相對準確地評估焊縫的疲勞壽命。

本文利用標準中焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù),開展焊縫余高、被焊接部件坡度、承載方向及焊縫熔透對焊接接頭應力的影響分析,討論影響焊接接頭抗疲勞能力的因素。依據(jù)BS EN 13749:2011[9]規(guī)定的載荷,對某貨車焊接構架進行抗疲勞設計研究,提出承載焊接結構設計原則,以指導實際工程結構中焊接結構的設計。

1 焊接接頭抗疲勞能力及影響因素

用于安全壽命設計的名義應力法的標準中,基于焊接接頭疲勞試驗給出了一定數(shù)量的、以2×106次循環(huán)對應的應力范圍對焊接接頭疲勞強度分級歸類的S-N曲線數(shù)據(jù)。但在實際工程應用中,這些標準是一種保守的估計。然而,如果設計目的是多方案比較后選優(yōu),保守程度將不再重要。

1.1 焊趾角度對焊接接頭強度的影響

IIW標準中,橫向承載對接焊縫(X形坡口)211(磨平,100%無損探傷)、212(焊趾角度小于30°,無損探傷)、213(焊趾角度小于等于50°),它們的疲勞強度等級分別為FAT112(鋁FAT45)、FAT90(鋁FAT36)、FAT80(鋁FAT32)。在2×106次時,僅是焊縫余高的存在,211焊接接頭的疲勞強度是213焊接接頭的1.4倍。為了探究焊趾角度是如何影響焊接接頭的強度等級,在相同邊界條件下,對211、212及213對接焊接接頭進行有限元分析,三個對接焊接接頭的第一主應力的分布曲線見圖1。

(a) 沿焊縫方向

從圖1(a)可以看出,三個焊接接頭焊縫中部的主應力均大于焊縫兩端的值;沿焊縫方向的主應力值,213焊接接頭的最大,211焊接接頭的最小;從圖1(b)可以看出,隨著離焊縫中部距離的減小,212和213焊接接頭的主應力增加,在焊縫中部達到最大值,而211的主應力不變;當距離焊縫中部1/2t時,三個焊接接頭的應力值相同。顯然,焊接接頭焊縫余高的存在,改變了被連接件焊接接頭在承載方向的剛度,提高了承載焊接接頭的主應力,降低了焊接接頭疲勞強度等級。

1.2 連接板坡度對焊接接頭強度的影響

IIW標準中,橫向承載對接焊縫(X形坡口)磨平且無損探傷的221焊接接頭,1∶5坡度比的焊接接頭等級為FAT112(鋁FAT45);1∶3坡度比的焊接接頭等級為FAT100(鋁FAT40);1∶2坡度比的焊接接頭等級為FAT90(鋁FAT32);對于焊縫余高為5%的222焊接接頭,1∶5坡度比的焊接接頭等級為FAT90(鋁FAT32);1∶3坡度比的焊接接頭等級為FAT80 (鋁FAT28);1∶2坡度比的焊接接頭等級為FAT72 (鋁FAT25)。焊接接頭疲勞強度等級表明:隨著坡度比值的增大,焊接接頭的疲勞強度等級降低;相同坡度比的焊接接頭等級因為余高的存在,使它的疲勞強度等級降低。為了解坡度比和焊縫余高是如何影響焊接接頭的強度等級,本文建立3種坡度比的焊縫磨平與5%余高的6個有限元模型,并在相同邊界條件下,對這些對接焊接接頭進行有限元分析,結果見圖2。

(a)焊接接頭形式

由圖2(b)可以看出,焊縫磨平的221焊接接頭坡度比為1∶5時的主應力最小,坡度比為1∶2時的主應力最大;圖2(c)中焊縫余高5%的222焊接接頭,隨著坡度比值的增大,焊接接頭應力增大;從圖2(d)～圖2(f)可以看出,焊接接頭坡度比相同時,焊縫余高的存在均使焊接接頭應力增大,降低了焊接接頭的疲勞強度等級。

1.3 連接板形狀對焊接接頭強度的影響

BS EN 1999-1-3: 2007中給出了組合件邊緣縱向?qū)痈桨搴捅砻娼墙痈桨迩液缚p端部焊趾潛在裂紋部位的焊接接頭疲勞參數(shù)。組合件邊緣對接附板無圓角的編號3.5,焊接接頭等級為FAT18;對接附板圓角r≥50 mm的編號3.6,焊接接頭等級為FAT36,焊縫端部半徑到與應力方向平行焊趾應全部打磨掉;組合件表面縱向角接附板圓角r≥50 mm的編號3.7,焊接接頭等級為FAT36,焊縫端部焊趾打磨;角接附板無圓角的編號3.8,焊接接頭等級FAT23。焊接接頭的承載方向、細部形式及S-N曲線見圖3。

(e)編號3.5和3.6的S-N曲線

由圖3(e)和3(f)可知:有圓角半徑附板縱向?qū)咏M合件邊緣的焊縫疲勞強度比直角附板對接的提高了1倍;有圓角半徑附板縱向角接組合件表面的焊縫疲勞強度是直角附板角接的1.565倍。

1.4 承載方向?qū)附咏宇^強度的影響

BS EN 1999-1-3:2007中連續(xù)自動焊全熔透焊縫雙面磨平的板對接焊接接頭,且潛在裂紋在焊縫不連續(xù)的部位,承載方向與焊縫平行的焊接接頭編號5.1,等級為FAT63;承載方向與焊縫垂直的焊接接頭編號7.1.1,等級為FAT56,兩焊接接頭承載方向、細部形式及焊接接頭S-N曲線見圖4。由圖4(c)可看出,這兩種焊接接頭2×106次對應的強度值,前者是后者的1.125倍(注意:焊接接頭編號7.1.1的S-N曲線的斜率m為7)。

(c) 焊接接頭的S-N曲線圖4 不同承載方向的對接焊接接頭及疲勞性能參數(shù)

1.5 焊縫熔透程度及焊趾處理對焊接接頭強度的影響

在IIW標準中,十字焊接接頭或T形焊接接頭(錯位e小于15%),十字焊接接頭或T形焊接接頭及疲勞性能參數(shù)如圖5所示。411全熔透K形焊接接頭(焊趾打磨)、412全熔透K形焊接接頭、413角焊縫焊接接頭或部分熔透K形焊接接頭、415全熔透單邊弧焊或激光束V形焊接接頭,這些接頭的疲勞強度等級依次為FAT 80、FAT 71、FAT 63、FAT 71。在2×106次時,上述焊接接頭的疲勞強度值依次為:80、71、63、71 MPa。由此可見, 焊趾打磨能提高十字焊接接頭或T形焊接接頭疲勞強度1.127倍;全熔透十字焊接接頭或T形焊接接頭的疲勞強度值比部分熔透的高8 MPa;雙邊全熔透的十字焊接接頭或T形焊接接頭的疲勞強度值比單邊的高9 MPa。

(e) 焊接接頭S-N曲線圖5 十字焊接接頭或T形焊接接頭細部及疲勞性能參數(shù)

數(shù)值分析與試驗數(shù)據(jù)表明,影響焊接接頭疲勞強度的根源都歸結為傳力路徑上焊接接頭剛度變化,致使焊接接頭應力增加或出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。應力治理的源頭在于應變的控制,而應變由變形控制。因此,在力的傳遞路徑上,控制變形的局部剛度趨于協(xié)調(diào)是焊接接頭設計的關鍵所在。

2 基于結構應力的復雜焊接結構應力集中的識別

在外載荷作用下,全熔透角接焊接接頭焊趾處應力因含有缺口應力而呈現(xiàn)高度非線性分布,該應力可分解為兩部分,一部分是自平衡的應力,另一部分是與外載荷平衡的應力,定義為結構應力,外載荷對焊縫疲勞裂紋的驅(qū)動等價于結構應力的驅(qū)動。滿足平衡條件的結構應力可以用結構力學的方法計算得到。在外力作用下,結構應力是膜應力與彎曲應力之和。給定板厚t截面內(nèi)的結構應力計算公式為:

(1)

式中:fy和mx是焊線處單位長度的力與力矩。求解結構應力過程與有限元方法分析相反,需將有限元求得的節(jié)點力和力矩轉(zhuǎn)化為線力和線矩。結構應力能夠給出焊趾截面內(nèi)沿著板厚方向的應力分布狀態(tài)及外力在焊趾上產(chǎn)生的應力集中。計算結構應力時,焊接結構的有限元模型組成可為板殼單元也可以為實體單元;在實體單元建模時,單元至少要有兩層及以上且沿著板厚方向的節(jié)點共線,以便將實體單元的節(jié)點力等效為板厚度中面的力與彎矩,見圖6。

圖6 焊趾結構應力的計算示意

焊接構架是軌道車輛復雜焊接結構的典型代表,主要由側(cè)梁、橫梁與縱向梁等部件組成,材料為Q345。在BS EN 13749:2011中規(guī)定了轉(zhuǎn)向架構架的設計載荷,見表1。焊接構架強度分析模型主要以八節(jié)點六面體單元為主,利用六節(jié)點五面體單元模擬焊縫,模型的單元平均尺寸為5 mm。分析模型的位移邊界條件與構架疲勞試驗條件一致。

表1 焊接構架的主要載荷

在各載荷作用下,構架焊接接頭的結構應力計算結果表明:結構應力沿焊縫方向存在應力集中現(xiàn)象,見圖7。由圖7可以看出,在垂向動態(tài)載荷作用下,側(cè)梁上蓋板與外側(cè)腹板焊縫在圓弧過渡區(qū)結構應力出現(xiàn)峰值,遠大于其他區(qū)域的應力;在橫向動態(tài)載荷作用下,限位座與縱向梁上蓋板焊縫、縱向梁立板與下蓋板焊縫有明顯的應力集中現(xiàn)象,這些焊縫在構架服役時將會是疲勞薄弱部位。上述焊縫出現(xiàn)局部應力集中的原因均是由傳力路徑上焊縫抵抗變形的剛度突變引起的。

(a) 側(cè)梁上蓋板與外側(cè)腹板連接焊縫

3 緩解應力集中的焊接結構設計

在外載荷作用下,上述焊縫局部剛度不協(xié)調(diào)引起的應力集中是隱性的、不易被直觀發(fā)現(xiàn);與焊接結構制造階段產(chǎn)生可通過技術手段檢測出的、可控的應力集中不同,可將這類應力集中歸為結構設計問題。

BS 7608:2014指出,良好疲勞特性的條件是結構在設計細部和制造時,所有部件能出現(xiàn)預期的變形,使得應力集中為最小值且沒有局部約束引起二次變形和二次應力,見圖8。圖8(a)為連接板與被斷開工字鋼的上下翼板共面,實現(xiàn)了力的路徑上結構剛度協(xié)調(diào),避免了二次彎曲應力,應力集中得到緩解。

圖8(b)在給定的載荷下,焊接結構傳力的路徑是唯一的,這種唯一的傳力路徑與應力集中密切相關。通過有限元分析獲得最大主應力矢量圖,判斷應力集中是否由焊縫走向與傳力路徑的邏輯梳理關系不合理所致。這種不合理可通過改變加筋數(shù)量和位置對力的路徑進行引導。

本文為了避開最大應力區(qū)和易出現(xiàn)應力集中的薄弱區(qū),采用避實就虛方法對承載焊縫布局,將位于應力集中區(qū)域的焊縫移至低應力區(qū)域[10],并確保在承載焊縫處有剛性支撐。

綜上所述,為提升承載和結構較為復雜的焊接接頭的抗疲勞性能,應從多角度采取緩解應力集中的設計原則,如減緩剛度突變設計原則、傳力路徑和承載焊縫的合理設計與布置原則等。利用這些原則,對焊接構架的縱向梁立板與下蓋板焊縫、限位座與縱向梁上蓋板焊縫進行抗疲勞設計。在構架的縱向梁下蓋板外部弧形增加兩排網(wǎng)格的寬度以減緩斷面變化(圖9(a));將縱向梁中間黃色筋板由一個改成與外部黃色斜板個數(shù)相同且位置共面的兩個筋板(圖9(b))。

(a) 減緩剛度突變設計

在同樣計算條件下,限位座與縱向梁上蓋板焊縫的結構應力峰值由32.4 MPa減小到10.7 MPa,應力峰值減小了67%,縱向梁立板與下蓋板焊縫的結構應力峰值由29.4 MPa減小到20.1 MPa,應力峰值減小了30%。顯然,減緩剛度突變設計、引導傳力路徑設計,有效地緩解了構架焊縫的結構應力集中,在設計階段提升了構架焊縫的抗疲勞性能。

4 結論

(1)本文利用焊接接頭疲勞試驗數(shù)據(jù)和有限元方法研究焊縫余高、被焊件坡度、承載方向及焊縫熔透等對焊接接頭應力的影響,結果表明:焊接接頭傳力路徑上的焊接接頭剛度變化是焊接接頭應力增加或出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象的原因。

(2)在BS EN 13749:2011中構架設計載荷作用下,通過焊縫結構應力分析有效識別出焊接構架焊接接頭發(fā)生應力集中部位為側(cè)梁上蓋板與外腹板焊縫的圓弧過渡區(qū)、限位座與縱向梁上蓋板焊縫、縱向梁立板與下蓋板焊縫的變剛度區(qū)域。

(3)本文基于焊縫與傳力路徑的邏輯關系、漸變斷面防止剛度突變和減少二次彎曲應力的設計思想,提出實現(xiàn)剛度協(xié)調(diào)承載焊接結構的抗疲勞設計原則;對焊接構架焊縫局部進行引導傳力路徑和減緩剛度突變的改進設計,可有效地緩解焊縫處的應力集中。