Goodman-Smith疲劳评估修正方法研究及在轨道车辆中的应用.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：疲劳评估修正方法研究及在轨道车辆中的应用王悦东，田博雅，何紫薇（大连交通大学高速列车服役安全关键技术铁路行业重点实验室，辽宁大连；中国铁路北京局集团有限公司北京动车段，北京）作者简介：王悦东，年月生，大连交通大学机车车辆工程学院院长，教授，博士，电子邮箱：。主要从事研究方向：车辆结构分析与现代设计方法、数字化仿真分析与优化、结构疲劳虚拟仿真（）。摘要：曲线在轨道车辆疲劳评估中应用广泛，但 标准中提供的曲线在使用过程中存在安全裕量不高和焊缝数据缺乏合理性的问题。本文首先分别采用标准中提供的曲线和 标准对种典型焊接接头模型进行疲劳强度评估，证明曲线评估的结果较为宽松。其次，为使曲线能够适应实际情况出现的非对称循环载荷，提出非对称循环疲劳强度向对称循环的转换公式，实现 标准中脉动循环向曲线所需对称循环的转换。然后，根据 标准提供的曲线修正循环次数为 次下的对称循环疲劳强度，并结合标准，绘制改进后的八边形曲线。最后，分别改进前后的曲线对某转向架构架的关键焊缝进行疲劳强度评估。结果表明，改进后的曲线可以有效解决安全系数过大导致的疲劳评估结果过于宽松以及焊缝数据缺乏合理性的问题。该设计改进的曲线更加符合工程应用需求，为转向架构架焊接结构评估方法提供了新参考。关键词：曲线；疲劳评估；焊接接头；转向架构架文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，铁道技术标准（，；，）：，：，（）：，：；：（）：引言焊接结构具有连接性好、重量轻、效率高等优点，故广泛应用于轨道机车车辆，研究表明，焊接结构的失效绝大部分是焊缝区域的疲劳裂纹或断裂造成的。转向架构架作为典型的焊接结构件，在实际运行中承受着复杂多变的载荷，因此准确评估焊接位置的疲劳强度尤为重要。焊接结构常见的疲劳强度评估方法包括名义应力法、热点应力法和结构应力法等，名义应力法广泛应用于铁路行业，主应力准则和曲线是进行疲劳强度评估的主要依据。采用何种方法进行转向架构架的疲劳强度评估一直是研究的重点。根据 标准，采用曲线对摆式列车转向架构架进行强度分析，结果表明试验实测应力分布与仿真结果一致。等用试验数据与有限元仿真分析计算的焊缝局部应力进行对比，结果表明在两条焊缝相交的位置结构热点应力有增大的趋势。杨亚强通过焊接接头的疲劳试验绘制出种不同焊接接头的曲线。卢耀辉等结合标准对多轴载荷下的转向架构架进行强度计算，并根据曲线编写疲劳强度评估程序。周张义等提出 报告中提供的疲劳极限图在实际应用中存在的问题。王皓宇等采用 报告中提出的疲劳强度校核方法，基于 标准修正图，同时采用标准计算构架焊缝位置的累积损伤。目前国内在疲劳强度评定标准方面广泛使用 机车车辆强度设计及试验鉴定规范（王悦东等：疲劳评估修正方法研究及在轨道车辆中的应用）标准中的曲线，该标准提供的种常用钢材的疲劳极限图是根据德国等材料的疲劳试验数据所绘制的，并且曲线只包括母材、对接接头和搭接接头，除此以外焊接工艺也与我国转向架的焊接工艺也有所不同，所以还需要进行更深入的研究。针对曲线在使用过程中存在安全裕量低和焊缝数据缺乏合理性的问题，本文提出非对称循环疲劳强度向对称循环的转换公式，实现了 标准中脉动循环向曲线所需对称循环的转换。然后，根据 标准提供的曲线对循环次数为 的对称循环疲劳强度进行修正，并结合标准，绘制改进后的八边形曲线，最后应用转向架构架有限元分析结果验证其正确性。曲线绘制 曲线绘制方法八边形曲线见图，曲线的绘制基本思想为：材料屈服是疲劳强度的极限，因此在考虑平均应力实施修正时，用水平截线和以及垂直线截点、和来控制极限状态；压缩屈服前，平均应力不影响疲劳应力幅，因此有平行线与。其中：为给定疲劳寿命下的对称循环疲劳强度，；为拉伸极限强度，；为应力幅，；为拉伸屈服极限，；为压缩屈服极限，；、分别为最大、最小应力，。图八边形曲线疲劳极限图具体的绘制方法如下：（）以平均应力为轴、最大应力和最小应力为轴建立直角坐标系。（）过原点做平均应力线一条与夹角为的直线。（）在坐标系中找到拉伸强度极限点（，）、正负对称循环疲劳极限点（，）、（，），连接、。（）过点（，）做水平线与直线交于点、与直线交于点。（）过点作垂直线交直线于点，连接直线。（）过点、点分别作的平行线、。（）过（，）做水平线。（）过点作垂直与相交于点，并连接线段，得到一个封闭曲线，该曲线就是以屈服强度进行修正的八边形图。材料的许用应力与安全系数安全系数及许用应力见表，许用应力为（）式中：为许用应力，；为可承受的应力，；为安全系数。在冲击载荷作用下，焊接结构的安全系数为，非焊接结构的安全系数为；在交变载荷下的许用应力，相对于冲击载荷下的许用应力的安全系数为，即焊接结构的安全系数为，非焊接结构的安全系数为。表安全系数及许用应力表抗拉强度弹性极限结构类型安全系数许用应力 静强度 疲劳强度 静强度 疲劳强度 焊缝或中等缺口效应截面 无缺口母材 焊缝或中等缺口效应截面 无缺口母材 焊缝或中等缺口效应截面 无缺口母材 曲线改进 非对称循环疲劳强度的转换轨道车辆的零部件在服役过程中承受的载荷主要铁道技术标准是疲劳载荷，其中多数疲劳载荷是非对称循环疲劳载荷，为了便于曲线的使用，需要考虑非对称循环疲劳强度向对称循环疲劳强度的转换，非对称循环疲劳强度转换见图。应力比与该应力比下的疲劳强度，屈服极限、以及是材料特性为已知量。直线的方程为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）则有点 ，()在直线上，且直线是对称循环疲劳极限与抗拉强度的连线，可以求出直线的斜率和截距。图非对称循环疲劳强度转换直线的截距即为对称循环条件下的疲劳强度极限，通过式（）可以将任意应力比下的疲劳强度值转换为对称循环疲劳强度值。基于 标准改进曲线 标准提供的曲线不符合我国转向架的疲劳强度评估要求，所以选择用 标准提供的疲劳强度对曲线进行改进，选取 标准中相应焊缝等级对应的曲线，确定在 次循环下的脉动循环疲劳极限值。确定出适用于焊接接头的改进后曲线转折点计算公式见表，改进流程见图。表焊接接头曲线转折点计算公式转折点平均应力应力幅 续表转折点平均应力应力幅 ()图改进流程图基于改进曲线的转向架构架疲劳强度分析 转向架构架有限元模型转向架构架上无摇枕、转臂式轴箱定位结构。由箱型测梁和箱型结构横梁组成型结构，采用耐腐蚀性强的和 焊接而成。测梁为中部下凹的鱼腹箱型结构，焊有轴箱定位座、抗蛇行减震器座、连杆座和制动吊座。横梁为焊接箱型结构，焊有横向减振器座、牵引电机吊座和齿轮箱吊座。根据转向架的结构设计，简化非承载零件细节，采用六面体网格进行转向架有限元结构离散，在焊接结构处采用五面体单元模拟焊缝，单元的尺寸为 ，单元类型选择，有限元模型离散为 个节点，划分为 个单元。转向架架构有限元模型见图。王悦东等：疲劳评估修正方法研究及在轨道车辆中的应用图转向架构架有限元模型 模拟运营载荷计算工况转向架构架在实际的运行过程中，承受着复杂的载荷状态，包括横向载荷、垂向载荷和斜对称载荷等，构架的种模拟运营载荷工况均参考 标准。关键焊缝的选取在转向架构架中选择关键焊缝进行疲劳强度评估，在有限元模型中选择条焊缝，构架焊缝疲劳强度评估示意图见图。图构架焊缝疲劳强度评估示意图 转向架构架多轴应力向单轴应力的转换转向架构架在实际运行过程中承受着复杂的多轴载荷，承受多轴载荷的焊接接头也是常见的疲劳断裂事故发生点。因此在进行转向架构架的疲劳强度评估时，不能只考虑某一方向的应力，而是需要将多轴应力根据应力的特点合理转换为单轴应力，从而综合评估结构的应力状态。最大主应力法是 报告提供的一种将多轴应力转化为单轴应力的方法，属于投影法的一种。首先，选定危险位置的评估点，计算其在不同工况下的主应力，选取主应力的最大值，并将其方向定义为主方向；为第种工况下的主应力；其余工况下的主应力向方向进行投影，最小值为。应力投影示意见图。构架关键焊缝的疲劳强度评估通过自编程序，将转向架构架在多种工况下复杂的多轴应力依据最大主应力法转化为单轴应力，提取出最大主应力结果的最大、最小应力，计算出平均应力。分别使用改进前和改进后曲线对所选条焊缝进行疲劳强度评估。所有评估点均落在改进后的曲线内，说明使用改进后的铁道技术标准曲线进行疲劳强度校核是合理的。改进前后的曲线对比见图。图应力投影示意图改进前后的 曲线对比王悦东等：疲劳评估修正方法研究及在轨道车辆中的应用结论本文采用 标准对标准提供的曲线进行改进优化，推导出非对称循环疲劳强度向对称循环疲劳强度的转换公式，从而将任意应力比下的疲劳强度值转换为对称循环疲劳强度值，得到可以评估其它接头类型的改进疲劳极限图。并应用改进后的曲线对转向架构架关键焊缝进行疲劳强度评估，进一步改进了改进方法的正确性与有效性。参考文献：张哲，王悦东，刘本末焊接结构切口等效应力修正方法研究与应用分析 机械科学与技术，（）：兆文忠，李向伟，董平沙焊接结构抗疲劳设计理论与方法北京：机械工业出版社，（）：，（）：肖守讷，杨超，阳光武一种新的焊接构架疲劳分析方法 西南交通大学学报，（）：，：，：杨亚强转向架焊接构架疲劳强度研究 成都：西南交通大学，卢耀辉，冯振，陈天利，等铁道车辆转向架构架多轴疲劳强度有限元分析方法 北京交通大学学报，（）：，周张义，黄运华，杨阳，等基于结构应力的转向架构架焊缝疲劳强度研究 西南交通大学学报，（）：王皓宇，米彩盈地铁转向架焊接构架疲劳强度评估方法研究 重庆科技学院学报（自然科学版），（）：，赵永翔，杨冰，彭佳纯，等铁道车辆疲劳可靠性设计图的绘制与应用中国铁道科学，（）：李培行，苏砚帮转向架构架常用疲劳极限图研究 中国铁路货运市场发展和多样化运输装备技术研讨会论文集北京，：，：，张名扬，张开林基于多轴理论的构架焊缝疲劳强度研究机械强度，（）：责任编辑：张航