（车辆工程专业论文）高速列车结构热点应力疲劳评定方法及应用研究.pdf

中文摘要 我国铁路运输正向着高速、重载、轻量化的方向不断快速发展，这对车辆结 构的疲劳强度提出了更高的要求。目前， 均采用钢板焊接结构和铝合金焊接结构， 我国提速、高速客车转向架构架及车体 这样可大大降低车辆结构的自重。但是， 运行速度的提高、载荷的增加以及复杂的焊接接头形式使得车辆的承载状况变得 十分恶劣；同时，各种新型材料也不断应用于我国高速列车转向架与车体的结构 中。焊接结构在交变应力作用下主要产生疲劳破坏，其疲劳破坏部位大多数在焊 接接头上，焊接接头的疲劳强度制约着高速列车的运营安全性，因此，研究焊接 接头的疲劳评定方法日益突显出来。国外目前绝大多数情况下的疲劳评定采用的 是传统的名义应力评定方法，我国在焊接结构与车体疲劳评定中也主要考虑接头 名义应力的影响，然而既有焊接接头的名义应力方法忽略焊接结构细节的变化， 当焊接结构的细节与其承载复杂时，或者说当某一种焊接细节无法与典型焊接接 头相对应时，就很难确定这些情况下的名义应力。因此，需要在获取所用材料焊 接接头名义应力一寿命曲线的基础上，研究采用更为可靠的评定方法。 热点应力方法由于其应力一寿命曲线受焊件几何细节与载荷形式的影响较 小，其值更接近于焊件实际应力而使得评定结果更为准确、可靠，从而更适应我 国高速列车疲劳评定的需要。目前针对高速列车用焊接接头进行热点应力疲劳评 定的研究报道甚少。本文以高速列车用典型焊接接头为基本研究对象，以热点应 力理论为基础，对焊接接头热点应力有限元计算方法与影响因素进行了系统研究， 并测试了我国高速列车用新型材料焊接接头疲劳性能数据，建立高速列车焊接结 构热点应力疲劳评定的基础；研究使用热点应力进行高速列车焊接结构疲劳评定 的方法。论文主要进行了以下方面的研究工作： l 、建立典型焊接接头有限元模型，解决了热点应力中有限元计算的单元划分 方法与外推方法，分析不同承载条件下的热点应力计算方法和热点应力集中系数。 2 、分析了对接接头焊缝高度和底板厚度与角接接头焊缝尺寸、底板厚度、角 接角度及立板厚度等几何参数对热点应力集中系数的影响；提出采用热点应力特 征量来描述焊接接头几何参数变化对热点应力集中系数的影响；研究了载荷形式 对焊接接头热点应力的影响。 3 、试验研究了高速列车用结构钢与铝合金焊接接头名义应力及热点应力疲劳 性能，得到了a q 4 0 0 n h 钢、s m a 4 9 0 b w 钢以及铝合金6 0 0 5 三种材质对接与角接 接头的名义应力s - n 曲线，结合相应接头形式的热点应力集中系数，得到相应焊 接接头的热点应力s - n 曲线。这些焊接接头热点应力疲劳性能，为开展高速列车 焊接结构热点应力疲劳评定提供了基础数据。 4 、根据u i c 6 1 5 4 规程，计算高速转向架焊接构架上的名义应力进行疲劳强 度评定；又以构架横向止挡座与侧梁上盖板连接部、牵引拉杆座与横梁下盖板连 接部两处典型角接接头为研究对象，采用子模型方法将关键部位从整体结构中分 离并建立实体模型进行分析，通过对带孔的槽钢子模型的计算分析，验证了子模 型方法的正确性，因此实现了对焊接构架进行热点应力疲劳评定。 5 、根据铝合金6 0 0 5 车体牵引梁与盖板连接部、抗蛇行减振器座与车体底架 连接部实测名义应力谱，计算其等效名义应力幅。通过该部位焊接接头热点应力 特征量，计算等效热点应力幅，以此判定其热点应力疲劳强度，建立高速铝合金 车体的热点应力疲劳评定方法。 关键词：热点应力：高速列车；转向架；焊接接头；疲劳强度；子模型 分类号：u 2 7 0 1 a b s t r a c t t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni nc h i n ai sd e v e l o p i n gq u i c k l yw i t ht h ea i m st h a ta r e h i g h - s p e e d ，h e a v yl o a da n dl i g h tw e i g h t t h i sw i l lc a u s em u c hm o r er e q u i r e m e n t sf o r t h ef a t i g u es t r e n g t ho ft h ev e h i c l e t h eb o g i ef l a m e sa n dc a r b o d i e sw h i c hb e l o n gt ot h e r a i s e d - s p e e da n dh i g h - s p e e dv e h i c l ea r em a d ef r o mw e l d e ds t e e lp l a t ea n da l u m i n i u m a l l o yp l a t e t h i sh e l pr e d u c i n gs o l ew e i g h to f t h e v e h i c l ew i d e l y h o w e v e r , r a i s e ds p e e d ， h e a v i e rl o a da n dd u p l i c a t e df o r m so fw e l d e dj o i n t sw i l lm a k et h el o a d - b e a r i n gc o n d i t i o n f o r m i d a b l ef o rt h ev e h i c l e a tt h es a m et i m e ，v a r i o u sn e wm a t e r i a l sa r ea p p l i e db yb o g i e f r a m e sa n dc a r b o d i e sc o n t i n i o u s l yf a t i g u eb r e a k d o w ni st h ep r i m a r yf o r mo ft h e w e l d e ds t r u c t u r e su n d e ra l t e r n a t i n gl o a d ，a n dt h em a i n l yp a r t sw h i c hb r e a k d o w na r et h e w e l d e dj o i n t s t h e r e f o r e ，t h ef a t i g u es t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t sc o n f i n e st h eo p e r a t i n g s a f e t yo ft h ev e h i c l ea n dr e s e a r c h i n gf a t i g u ee v a l u a t i o na p p r o a c hb e c o m e sm o r e i m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a ln o m i n a l s t r e s sm e t h o di st h em a i nf a t i g u ee v a l u a t i o n a p p r o a c h a b r o a d a n dt h en o m i n a ls t r e s si st h em o s ti m p o r t a n ta p p r o a c hw h i l e d e t e r m i n et h ef a t i g u es t r e n g t ho fw e l d e ds t r u c t u r ea n dc a r b o d yi no u rc o u n t r y h o w e v e r , e x i s t i n gn o m i n a ls t r e s sa p p r o a c ho fw e l d e dj o i n ti g n o r e st h ev a r i e t yo fw e l d i n gd e t a i l s t h en o m i n a ls t r e s sw i l lb ed i f f i c u l tt ob ed e t e r m i n e dw h i l et h ew e l d i n gd e t a i l sa r e c o m p l i c a t e d ，o rs o m ew e l d i n gd e t a i l sd on o tb e l o n gt o t r a d i t i o n a lw e l d e dj o i n t c o n s e q u e n t l y , t h em o r er e l i a b l ea p p r o a c hm u s t t ob eb r o u g h tf o r w a r do nt h eb a s i st h a t n o m i n a ls t r e s ss - nc u r v ei sg o t h o ts p o ts t r e s s ( h s s ) a p p r o a c hi sm o r ea p p l i c a b l ef o rh i g h s p e e dv e h i c l ef a t i g u e e v a l u a t i o n ，b e c a u s ei t se v a l u a t i o nr e s u l ti si n d e p e n d e n to nt h ew e l d i n gd e t a i l sa n dl o a d f o r m e v a l u a t i o nr e s u l tb yh s si sc l o s e rt or e a ls t r e s so fw e l d e dj o i n tt h a nn o m i n a l s t r e s sa p p r o a c h ；t h er e s u l ti sm u c hm o r ee x a c ta n dr e l i a b l et h e r e f o r e r e p o r t sa b o u t f a t i g u ee v a l u a t i o nb yh s sf o rh i 曲- s p e e dv e h i c l ea r eq u i t ef e w i nt h i sp a p e r , h s s c a l c u l a t i o nm e t h o db yf i n i t ee l e m e n ta n di n f l u e n c i n gf a c t o r sa r es t u d i e db yt h en u m b e r s d u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h ew e l d e dj o i n tb e l o n g st oh i g h - s p e e dc a l i st h eb a s i ss t u d y i n g o b j e c t ，a n dt h eh s st h e o r yi st h eb a s i sf l a t t h ef a t i g u ec a p a b i l i t yd a t ao f n e wm a t e r i a l w e l d e dj o i n t sa p p l i e df o rh i g h - - s p e e de a ra r et e s t e d ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o nf o r l l i g h s p e e dc a l f a t i g u ee v a l u a t i o nb yh s sa p p r o a c h t h ef a t i g u ee v a l u a t i o nb yh s s a p p r o a c hf o rh i g h s p e e dc a ri ss t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k si n t h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： 1 f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t y p i c a lw e l e dj o i n ti sc o n s t i t u t e d ；t h ee l e m e n ts i z ea n d e x t r a p o l a t i n gm e t h o da r er e s o l v e d n eh s s c a l c u l a t i o nm e t h o da n dh s sc o n c e n t r a t i o n f a c t o ru n d e rd i f f e r e n tl o a df o r ma r ea n a l y z e d 2 g e o m e t r yf a c t o r s a n dw e l d i n gd e t a i l sw h i c hm a y b ei n f l u e n c et h eh s s c o n c e n t r a t i o nf a c t o ra r ea n a l y z e d t h ef a c t o r sa r e ：f o rb u t tj o i n t t h e r ea r et h eh e i g h to f w e l d i n gs e a ma n dp l a t et h i c k n e s s ，a n df o rf i l l e tw e l d e dj o i n t ，t h e r ea r et h es i z eo f w e l d i n gs e a m ，p l a t et h i c k n e s s ，w e l d i n ga n g l ea n de r e c tb o a r dt h i c k n e s s h s se i g e n v a l u e i sb r o u g h tf o r w a r dw h i c hi su s e dt od e s c r i b et h ei n f l u e n c et oh s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r c a u s e db yg e o m e t r yf a c t o r sa n dw e l d i n gd e t a i l s i n f l u e n c ef r o ml o a df o r mi sc a l c u l a t e d 3 1 1 1 en o m i n a ls t r e s ss - na n dh s ss - nf o rf i l l e tw e l d e dj o i n ta n db u t tj o i n to f a q 4 0 0 n hs t e e l ，s m a 4 9 0 b ws t e e la n da l u m i n u ma l l o y6 0 0 5a r eg o t t h e s et h r e e m a t e r i a l sa r ea p p l i e dt oh i g h s p e e dc a ri nc h i n a t h ef a t i g u ec a p a b i l i t yd a t ap r o v i d et h e b a s i sf o rf a t i g u ee v a l u a t i o nb yh s sf o rh i g h s p e e dv e h i c l e 4 i np r a c t i c a la p p l i c a t i o ni t e m ，u i c 615 4c o d ei sa p p l i e df o ra n a l y z i n gt h e c o m p l e t ew e l d e da q 4 0 0 n hb o g i ef l a m eb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h eb o g i ef r a m e f a t i g u es t r e n g t hi se v a l u a t e db yn o m i n a ls t r e s s a st h es t u d i do b j e c t s ，t w ot y p i c a lf i l l e t w e l d e dj o i n t sw h i c ha r ec o n n e c t i o na r e ab c w c e ns i d eb e a mt o pc o v e rp l a t ea n dl a t e r a ls t o p p e ro f b o g i ef r a m ea n dc o n n e c t i o na r e ab e w e e nl a t e r a lb e a mb o t t o mc o v e tp l a t ea n dt r a c t i o nb a rs u p p o r t ， a r ee v a l u a t e db yh s sa p p r o a c h d u r i n gt h ea n a l y s i s ，t h es u b m o d e lt e c h n o l o g yi s a p p l i e dt os e p a r a t et h ef i l l e tp a r t sf r o mw h o l em o d e l ，t h e nt h es o l i de l e m e n tm o d e l sa r e e s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so fa n a l y s i z i n gt h eb o xi r o nw i t hr e c t a n g l eh o l e ，t h es u b - m o d e l m e t h o di sv a l i d a t e d t h e nt h ef a t i g u ee v a l u a t i o nb yh s sa p p r o a c hf o rw e l d e db o g i e f r a m ei sa c h i e v e d 5 a c c o r d i n gt ot e s t e dn o m i n a ls t r e s ss p e c t r u mo fc o n n e c t i o na r e ab e w e e nc o v e rp l a t e a n dt r a c t i o nb e a mo fc a r b o d y ，a n dt h en o m i n a ls t r e s ss p e c m n no fc o n n e c t i o na r e ab e w e e n u n d e r f r a m eo fc a r b o d ya n du n t i - h u n t i n gd a m p e rs u p p o r t ，t h ee q u i v a l e n th s ss p e c t r ua r eg o tb y h s se i g e n v a l u eo ft h e s et w op a r t s u s i n gh s ss p e c t r u m ，t h eh s sf a t i g u es t r e n g t hc a n b ee v a l u a t e d 1 1 1 ef a t i g u ee v a l u a t i o nb yh s sa p p r o a c hf o rh i g h - s p e e da l u m i n i u ma l l o y c a rb o d yi se s t a b l i s h e dt h e n k e y w o r d s ：h o ts p o ts t r e s s ；h i g h s p e e dc a r ；b o g i e ；w e l d e dj o i n t ；f a t i g u es t r e n g t h ； s u b - m o d e l c i a s s n o ：1 5 2 7 0 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 1 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字同期：年月同签字只期：年月日 致谢 是李强教授带领我进入了科学研究的领域，在我的硕士、博士学习阶段，李 老师指导、帮助我完成了多项科研任务，在此过程中，我也深深热爱上了这门科 学，并将自己融入其中。李老师精深广博的知识，严谨治学的学术风格和实事求 是的工作作风以及高尚的品德，都给我留下深刻的印象、使我受益匪浅。本论文 是在导师李强教授悉心指导下完成的，在学习和生活中李老师也给予了我充分的 关心和帮助。在本论文完成之际，向辛勤培育我的李强教授表示崇高的敬意和衷 心的感谢! 缪龙秀教授在我博士论文的选题和研究中都给予了很多指导和帮助。缪教授 孜孜不倦、勤奋刻苦的工作作风和善良正直的为人，都为我树立了学习的榜样! 在论文的完成过程中，还得到了孙守光教授、谢基龙教授、刘志明教授、任 尊松副教授、金新灿副教授、王文静老师等的关心和指导，他们对本人的论文工 作提出了许多有建设性的意见和建议，在此谨向老师们表示衷心的感谢。同时， 在本博士点的学习生活中，各位老师严谨的学术态度、活跃的学术思想以及团结 互助的精神将使我终身难忘! 感谢柳玲、何如同学与我一起进行模型分析、疲劳试验；感谢博士点全体同 学对我无私的鼓励与帮助。 感谢我的家人，是他们的关爱和操劳帮助我顺利完成多年求学生涯。 最后向评阅专家致以最真诚的谢意，感谢他们在百忙之中对本论文提出宝贵 意见! 1 绪论 1 1 选题的背景与意义 疲劳断裂是焊接结构失效的一种主要形式，它发生在承受交变应变的构件中， 一般说来疲劳破坏时的最大应力远低于材料的抗拉强度，甚至远低于材料的屈服 点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。据资料统计，由疲劳裂纹引 起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的7 0 - - 8 0 以上，约有5 0 - - 9 0 的机 械结构的破坏属于疲劳破坏1 2 ，3 j 。工程技术人员对疲劳问题的试验和研究已经经历 了一个多世纪【4 。7 1 ： 疲劳破坏现象的发现始于1 9 世纪初叶。产业革命后，随着蒸汽机车和机动运 载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。破坏往往 发生在零部件的截面突变处，破坏处的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈 服点。破坏事故的原因一度使工程师们摸不着头脑，直至1 8 2 9 年德国人a l b e r tw a 用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被阐明。1 8 3 9 年法国人j v ( 彭 赛列) 在他的著作中首次使用了“疲劳”这个名词。1 9 4 3 年，苏格兰人w j m ( 兰 金) 讨论了机车车轴的破坏，认为是由于运行过程中金属性能逐渐变坏所致。第 一次对疲劳强度进行系统试验的是德国人w 6 h l e ra ( 沃勒) ，他首次提出了s - n 曲 线及疲劳极限的概念，为常规疲劳强度设计奠定了基础。1 8 8 4 年j 包辛格发现了“循 环软化 现象，是首先研究循环一应变关系的人。1 8 7 4 年，w 格伯做出了疲劳极 限图即格伯抛物线。1 9 3 0 年，英国人j 古德曼对疲劳极限图提出了简化设计，至今 仍在常规疲劳设计中应用。 时至今日，金属疲劳已发展成为一门独立学科。从高周疲劳到低周疲劳、从 宏观疲劳性能到晶粒、位错和原子结构的研究，从无限寿命估算到有限寿命估算、 以及损伤容限设计和连续损伤力学的应用，使其不断向纵深发展。虽然人们对疲 劳问题的试验和研究己经取得了重要的成就和突破，但是工程结构尤其是焊接结 构中疲劳破坏的事故却还是不断地发生。如1 9 5 3 到1 9 5 4 年英国“维金 和“彗星 号客机由于疲劳破坏导致的几起机毁人亡的事故【8 】；船舶及海洋工程结构中发生的 事故有1 9 6 5 年日本为美国建造的s e d e o 型半潜式平台在交货途中破损沉没，1 9 8 0 年 a l e x a n - d e r k e y l a n d 号半潜式平台在北海沉没，结构的疲劳是事故的重要原因【9 】。 同样，疲劳失效也频繁发生在铁路公路桥梁【1 0 , i i 】和发电站管道上【1 2 】，1 9 6 7 年美国西 弗吉尼亚州普莱曾特( p l e a s a n t ) 大桥在完全没有任何征兆的情况下断裂，原因是 由一个鱼眼杆的应力腐蚀裂纹引起的，近年来不断出现的飞机失事的情况，均是 由于疲劳破坏而导致结构失效。 我国焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也屡有报道。例如，广州铁路( 集 团) 公司r w 5 2 5 4 1 号软卧车横向控制杆定位销焊接部位断裂【1 3 j 、长春客车厂c w - 2 吊杆断裂与转向架撕裂等；葛洲坝2 撑和3 撑船闸1 9 8 1 年投入使用，1 0 余年后就分别 发现了3 7 条和2 5 条疲劳裂纹，经过补修，1 9 9 7 年又发现新的疲劳裂纹，严重影 响船闸的安全运行【1 4 1 。由于疲劳破坏引起的焊接结构的失效一般都是灾难性的， 会给社会和家庭带来巨大的损失。因此，了解焊接结构疲劳强度的特点，正确设 计焊接结构，采用更合理的评定方法研究焊接结构的疲劳性能对确保焊接结构的 安全性是至关重要的。 焊接结构疲劳失效的主要原因有以下几个方面【l5 】：( 1 ) 焊接接头在静载作用 下，其承受能力一般不低于母材，但在承受交变载荷时，其承受能力却远远低于 母材，而且与焊接接头类型、焊接工艺等有密切关系，分散性比较大，这是引起 一些焊接结构过早疲劳失效的主要因素；( 2 ) 早期的焊接结构设计以静载强度设 计为主，没有考虑抗疲劳设计，以致出现了许多看来不合理的焊接接头；( 3 ) 工 程技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，设计的焊接结构往往照搬其 它金属结构的疲劳设计准则和形式；( 4 ) 焊接结构日益广泛，在设计和制造过程 中人为盲目追求结构的低成本和轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；( 5 ) 焊接结构有向高速重载方向应用发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越 来越高，而焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后【l6 1 。 在铁路运用方面，从世界第一条铁路建成并开始通车，铁路逐渐成为了交通 运输中的重要运输方式之一，随着各种运输方式的竞争，提高列车运营速度是铁 路赖以生存和适应社会发展的唯一出路。铁路高速技术，至6 0 年代已进入实用阶 段，8 0 年代又取得了一系列新成就、新突破，使铁路进入了新时代。传统的机车 牵引竞争，使提高铁路运输要求成为必然趋势。大幅度提高列车速度成为各国发 展高速铁路的一种趋向【 。19 】。在我国，铁路是重要基础设施、国民经济的大动脉 和大众化交通工具。加快铁路发展，对促进社会经济发展，实现全面建设小康社 会的宏伟目标具有重要作用。经过多年努力，我国铁路事业取得了长足进步，但 是目前铁路运输能力与运输需求的矛盾仍然十分突出，成为经济社会发展的瓶颈。 特别是，当前我国铁路已实现全面提速，客运高速化、货运重载化已是铁路运输 的既定发展方向。2 0 0 k m h 速度等级的c r h 系列动车组在第六次大提速中已批量 投入使用；2 0 0 8 年，3 0 0 k m h 速度等级的高速动车组即将在京津线投入运营；2 0 1 0 年，3 5 0 k m h 速度等级的高速动车组将在京沪线大量投入运营。大面积的提速调图， 将在提高铁路运输能力、缓解铁路“瓶颈 制约、适应经济社会持续快速发展中， 发挥积极的作用。 2 世界各发达国家十分重视机车车辆关键构件的疲劳可靠性问题。从本世纪初 至5 0 年代，德、法、日本等国都开展了大量的有关高速列车的理论研究和试验工 作。北美铁路协会通过大量的调查研究和试验研究，在a a r 标准中规定了车辆承 载构件的疲劳试验标准：西欧各国则根据焊接结构的实际特点，制定了与实际较 为接近的u i c 5 1 5 6 1 5 标准；日本铁路部门对疲劳设计方法进行了深入的试验研究， 提出了日本铁路轨道疲劳设计规范j i s 。近年来，我国许多提速和高速列车转向架 设计也开始采用国际通用的转向架结构疲劳设计规范u i c 5 1 5 6 1 5 或j i s 。 目前，我国提速、高速列车车体及转向架构架均采用钢板焊接结构和铝合金 焊接结构，这样大大降低了结构的重量，适应了高速对车辆重量的要求。但是， 为满足提速要求，一方面由于运行速度的提高使得车辆的承载状况变得更加恶劣， 另一方面需要降低车辆自重，必须减少轮轨作用力，对车辆实行轻量化设计，从 而使得结构的疲劳设计愈显重要。同时，疲劳破坏的主要原因是由于焊接结构长 期处于交变应力作用下造成的，结构中疲劳破坏部位大多数在焊接接头上，因此， 对焊接接头进行专门的应力评定就显得尤为重要。世界上各铁路发达国家都投入 了大量的人力、物力、财力对焊接构架与车体的疲劳性能进行研究，进行构架与 车体的疲劳强度评定和寿命预测。新材料的应用是高速列车轻量化的最主要和最 有效的途径，是发展高速列车最重要的关键技术之一。一般来说，车体材料除了 要求轻质之外，还必须具有更高的强度、韧性、耐磨、耐疲劳、耐老化、抗腐蚀 等性能。对于在列车不同部位使用的材料，还有许多特殊的要求。目前，新型材 料已经不断应用于转向架与车体的研制中，如应用于转向架的a q 4 0 0 n h 钢与 s m a 4 9 0 b w 钢，用于高速车车体的铝合金6 0 0 5 型材，使用铝合金型材作为车体 结构主导材料具备诸多优点【2 叩1 1 。随着列车速度的不断提升与结构形势的更加复 杂化，对所用材料焊接接头的疲劳强度要求则会越来越高。 绝大部分情况下的疲劳评定采用的是传统的名义应力评定方法1 2 舵4 】。我国在 焊接结构与车体疲劳评定中也主要考虑接头名义应力的影响，然而既有焊接接头 的名义s - n 曲线亦不能满足新型材料焊接接头的要求，因为传统的名义应力方法 忽略焊接结构细节的变化【2 ”7 1 ，当焊接结构的细节与其承载复杂时，或者说当某 一种焊接细节无法与典型焊接接头相对应时，就很难确定这些情况下的名义应力。 因此，需要在获取所用材料焊接接头名义s n 曲线的基础上，采用更为可靠的评 定方法来对转向架与车体中焊接接头的强度进行评定。随着计算机计算能力的提 高与有限元技术的发展，热点应力方法被提出并首先应用于船舶领域进行焊接接 头的疲劳评定。不同于名义应力，热点应力考虑了焊件关键点或者热点处的应力 集中，例如焊趾处的应力集中。相对于名义应力方法受焊件细节几何尺寸等的影 响，热点应力方法的优势在于它的应力一寿命曲线受焊件细节几何尺寸的影响较 3 小，与焊件整体形式有关。因此，热点应力方法较名义应力方法更科学、适用， 热点应力疲劳强度评定方法已在船舶等领域取得成功。为满足我国高速铁路发展 对列车结构疲劳强度的要求，结合热点应力方法相对于名义应力方法的优势，论 文对热点应力方法及其在高速列车转向架焊接构架与车体疲劳评定中的应用进行 研究，为全面展开高速列车焊接结构热点应力疲劳评定奠定了基础。 1 2 焊接结构的疲劳控制部位及影响因素 1 2 1 疲劳控制部位 疲劳控制部位，是指容易出现疲劳裂纹并导致整个焊接结构疲劳失效的部位。 正确辨别疲劳控制部位是进行焊接结构疲劳评定的关键。由于焊接构架与车体结 构形式多样，受力情况复杂，应从多方面来考虑并确定疲劳控制部位。 通过分析焊接接头的细部设计，根据应力集中状况确定结构关注点；往往一 些接头的静应力水平较低，但在车辆的运行中却容易出现较大的动应力，所以这 类动态关注点也应当确认。对于高速列车转向架或车体结构，可以从以下两个方 面进行分析：其一，通过结构模态分析，由其振动特性并结合线路激扰状况确定， 如构架的横侧梁连接部，电机、齿轮箱、变压器箱、油箱吊挂部等；其二，充分 关注传递动载荷而且大小又难以确定的部位，如车体的牵引梁、定位臂座、减振 器座、制动吊座和牵引拉杆座等的根部。在上述疲劳控制部位中，以对接与角接 为主要接头形式，其中又以角接居多，而焊接形式通常采用开坡口焊。 1 2 2影响焊接接头疲劳强度的因素 ( 1 ) 由结构元件引起的应力集中的影响 焊接结构设计中，良好的设计可以带来不可估量的益处，而设计方案不佳， 特别是圆孔、凹口、圆角及加强筋等遍及整个结构的应力集中因素，可导致结构 过早地发生各类失效，包括疲劳失效1 2 引。 ( 2 ) 由接头形式引起的应力集中的影响 对接接头因其应力流线受到的干扰较小，故而应力集中系数相对较小，其疲 劳强度也将高于其他接头形式，是l i w 中等级较高的接头形式，也是一般设计中优 先考虑采用的接头形式。具有余高的对接接头，应力集中主要发生在焊趾处。具 有永久垫板的对接接头由于垫板处形成严重的应力集中，降低了接头的疲劳强度， 疲劳裂纹一般从焊缝和垫板的结合处产生，其疲劳强度与不带垫板的最差外形对 接接头的疲劳强度相等。 4 十字接头或t 型接头由于焊缝向基本金属过渡处具有明显的截面变化，其应力 集中系数要比对接接头的应力集中系数高一些，因此十字或t 型接头的疲劳强度要 低于对接接头。对未开坡口的角焊缝连接的接头和局部熔透焊缝的开坡口接头， 当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂可能发生在两个薄弱环节，即焊趾部位和焊 缝上；对于开坡口焊透的接头，断裂一般只发生在焊趾处；焊缝不承受工作应力 的十字或t 型接头的疲劳强度主要取决于焊缝与主要受力板交界处的应力集中。提 高十字或t 型接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝过渡处使之圆滑 过渡。 ( 3 ) 由焊缝形状引起的应力集中的影响 图1 1 对接接头几何形状参数 f i g 1 1g e o m e t r yp a r a m e t e r so f b u t t j o i n t 大量钢质材料的疲劳试验表明，焊缝的凸出部分是应力集中源，如果焊后不 进行机械加工，将使其疲劳强度大大降低。如对接焊缝( 见图1 1 ) ，焊趾区过渡角 口和过渡半径p 对焊接接头的疲劳强度具有重要影响。当焊缝宽度w 和高度h 变 化，但h 与w 的比值保持不变，即过渡角一定时，疲劳强度不发生变化；但如果焊 缝宽度w 保持不变，变化参量h ，则发现焊缝高度h 增加，接头疲劳强度降低，这 显然是过渡角增加的结果。因此，随着过渡角的增加，应力集中增加，疲劳强度 降低。而随着p 的增加( 过渡角保持不变) ，应力集中减小，疲劳强度增加。当单 个焊缝的计算厚度a 与板厚b 之比a b 0 6 - - 一0 7 时，一般断裂于基本金属。但是增加焊缝尺寸对提高疲劳强度仅仅在一定范围内 有效，因为焊缝尺寸的增加并不能改变另一薄弱截面即焊趾端部基本金属的强度。 ( 4 ) 由焊接缺陷引起的应力集中的影响【2 9 3 0 】 焊接缺陷对接头疲劳强度的影响与缺陷的种类、方向和位置有关。缺陷大体 可以分为两类：面状缺陷( 如裂纹、未熔合等) 和体积型缺陷( 气孔、夹渣等) ， 它们的影响程度是不同的。 ( 5 ) 材料强度的影响：对焊接接头来说，一般认为疲劳强度与材料本身的抗 拉强度没有关系。 ( 6 ) 焊缝金属和热影响区的影响：在平面应力范围内，疲劳裂纹扩展速率 5 a a = c ( 麟广的材料常数m 随材料屈服点的增加而降低，而c 随屈服点的增加而上 d y 升，材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但并不大。接头的初始裂纹一 般出现于接头的热影响区，这是由于热影响区的混合组织、微小夹渣、微气孔等 加之焊趾和焊缝根部很高的缺口应力很容易导致裂纹。 ( 7 ) 焊缝金属强度匹配的影响：焊缝金属强度匹配对裂纹扩展速率有一定影 响，高匹配似乎具有较快的裂纹扩展速率。 ( 8 ) 疲劳盐线大多是以弯曲或拉伸加载试件试验的结果为基础得出的，通常 拉伸比弯曲加载的疲劳寿命要短些【3 1 1 。 1 3 焊接接头疲劳强度评定方法 疲劳强度是焊接结构在实际使用中非常重要的一项技术指标。由于绝大多数 焊接接头的疲劳裂纹均发生在焊趾处，局部最大应力事实上起着主导作用，因此 焊接接头的疲劳强度分析，从方法上讲有4 个不同的层次【3 2 - 3 6 , 7 7 】，即名义应力评定 方法、结构应力评定方法、缺口应力评定方法和断裂力学评定方法。这四种方法 既可相互配合使用，又可各自单独使用。 1 3 1名义应力评定方法 名义应力评定方法应用十分广泛，是在构件相关截面上计算出的平均应力， 通常以材料力学为理论基础，用简单公式( 例如：应力 p m y 吒= j 7 其中p 和m 是所讨论截面上的轴向力和弯矩，a 和i 是梁截面面积和惯性矩，y 是所讨论点距中性轴的距离) 计算得出，显然不同截面可能具有不同的名义应力。 它不包括焊接接头结构细部( 如焊缝形状) 处产生的应力集中。一般呈弹性应力 性质，以符号表示。需注意，在名义应力计算中，应包括构件宏观几何状态和 施力点附近处的应力。这是因为由于宏观几何状态和施力点处的应力可显著影响 横截面的膜应力重新分布，且在反映结构疲劳强度的s - n 曲线中未予以考虑之故。 名义应力评定的基本形式如下： 吒 即在得到焊接件的局部名义应力后，判断是否小于疲劳断裂时的持久名义应力 6 ( 即材料在疲劳载荷下破坏时的临界应力) 。 目前一些有关疲劳设计和评定的标准多采用以名义应力表征的典型焊接结构 件及接头的疲劳强度。如国际焊接学会设计标准i 州一6 9 3 8 l 【37 】是承受疲劳载荷 的焊接钢结构的设计与确定尺寸的基本标准。德国工业标准d i n l 8 8 0 0 “钢结构一 尺寸与设计 相当于欧洲标准e u r o c o d e 3 【3 8 】和e c c a - - t c 6 t 3 9 1 。d i n 8 5 6 3 “焊接作 业的质量保证是作为有关制造要求、特别是有关承受疲劳载荷的焊接结构的制 造要求的国家基本标准。i s 0 6 2 1 3 草案则是相应的国际标准。另外，如我国钢结构 设计规范g b 1 7 8 8 1 3 t 4 、日本钢桥设计规范、美国铁路桥梁以及高速公路设计规 范等。在轨道车辆工程中，德国联邦铁路局及其供应厂商使用d s 9 5 2 t 4 l 】标准以及国 际质量标准u i c 8 9 7 - - 1 3 。国际焊接学会的最新标准【4 2 哗i 、充和修改了i i w - - 6 9 3 - - 8 1 规范的内容，对于钢结构，提供了1 4 条斜率统一取m = 3 0 的一组彼此间平行而等距 的s n 曲线以便进行疲劳设计，对于铝合金，则有1 5 条s - n 曲线，其中与焊接接头 设计有关的s - n 曲线1 2 条，并指出了在2 0 0 万次( 2 e 6 ) 循环次数下的特定的疲劳强 度，并将其定为疲劳级别f a t 。 名义应力疲劳评定中，实际的应用方法是：对于焊接接头的不同“缺口等级， 采用不同的许用名义应力进行计算。焊接接头缺口等级的划分取决于接头形式、 焊缝类型、加载情况及制造加工质量与缺陷情况。因此，“缺口等级”只能是部分 地“接近”事物的本质，缺口效应及有关定量关系实际上并未能得到反映。更确 切地说，这种“等级 只是许用名义应力的等级。名义应力方法的不足之处是： 只有少数焊接接头( 主要有对接接头、十字接头、带横向和纵向筋板的接头等在 实际中很重要并能按照统一方式进行制造的接头) 可划归为在疲劳试验基础上所 得的具有足够可靠性的应力一寿命曲线。对于较为复杂的焊接接头，常常存在确 定名义应力的多种可能性，这将导致得出不同的许用名义应力。在评定过程中， 对所用的焊缝类型仍需强调但不强调接头类型，这是因为接头形式过多并且受力 复杂，只能采用焊缝类型予以简化。基于名义应力的s - n 曲线直接依赖于焊接接头 形式和载荷类型等因素，这使得焊接结构疲劳评定规范十分繁琐，对复杂结构名 义应力的定义比较困难。同时，因为“名义应力 参数不是一个具有普遍意义的 疲劳控制参量，它与具体的结构细节尺寸等因素直接相关，因而所测量的s - n 曲线 只是一种具体结构细节的疲劳性能，而不具有普遍适用性。 1 3 2热点应力评定方法 焊趾通常为疲劳裂纹萌生与扩展的部位【4 3 1 ，紧靠焊趾缺口或焊缝端部缺口前 沿( 或焊接结构中板内表面上焊点边缘处) 的局部应力称为热点应力。热点应力 7 评定方法要求除名义应力外还应确定焊接结构( 受外载作用但无缺口效应) 中的 ( 非均匀)