车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究

为在设计阶段实现车辆焊接结构的抗疲劳设计,在研究AAR/BS/IIW标准的疲劳算法原理和焊接接头疲劳性能参数的基础上,给出基于AAR/BS/IIW标准进行车辆焊接结构疲劳寿命评估的方法和技术路线。依据AAR标准分析某公司出口的全钢焊接结构矿石车车体的疲劳寿命,结果表明:该出口矿石车车体焊接结构的最短疲劳寿命发生在中部横梁腹板与横梁下盖板角接焊接区,寿命年限为59.4年,满足25年设计寿命的要求;通过与IIW标准中提供的焊接接头结构的对比分析,提出对某提速客车转向架焊接构架的定位座根部焊接结构进行打磨的改进方案。数据表明:改进方案明显提高了定位座根部焊接接头的寿命。经对比分析可以看出,基于IIW标准的焊接构架疲劳寿命预测结果与疲劳试验结果比较接近。     

16MnR板材十字接头超长寿命疲劳极限的测定

疲劳破坏是铁道车辆焊接构架的主要问题,而国内焊接结构超长寿命的疲劳性能数据尤其缺乏.随着铁路高速、重载的发展,对我国现有超长寿命区间焊接结构的疲劳性能测定意义重大.作者利用瑞士RUMAL电磁高频疲劳试验机测定16MnR板材十字单面焊接接头在超长寿命区间的疲劳性能,并采用标准法和Dixon-Mood法对测得的试验数据进行处理,整理出十字单面焊接接头在超长寿命区间的疲劳极限,这些结果可以为焊接结构的可靠性设计及服务寿命估计提供试验数据基础.     

基于缺口应力法的转向架焊接接头疲劳性能分析

缺口应力法作为焊接结构疲劳设计的新方法以其较高的准确性而得到越来越广泛的应用。鉴于铁道车辆焊接结构尚未建立可靠的缺口疲劳寿命曲线,根据当前转向架焊接接头疲劳试验所提供的数据进行了缺口疲劳分析。疲劳试验名义应力数据源自构架常用材料S355J2所生产的2种焊接接头试样,包括低缺口效应的对接接头和高缺口效应的十字角接头。采用经验公式法和有限元方法对焊接接头的焊趾焊根缺口应力集中系数进行了分析,联合疲劳试验下的名义应力数据建立了转向架焊接接头的缺口疲劳寿命曲线。通过与IIW标准推荐的缺口疲劳曲线FAT225相比较,该曲线具有相当的疲劳等级和更小的曲线斜度;同时从差异系数的角度证明了缺口应力法比名义应力法具有更小的分散性。     

出口缅甸3B_0机车焊接构架疲劳寿命预测

为了对出口缅甸3B_0机车转向架焊接构架的疲劳寿命进行预测,采用有限元方法对构架在不同疲劳载荷下的应力状态进行分析,确定了箱体梁中主焊缝的多种疲劳应力范围。基于IIW标准和相关文献中焊接接头疲劳寿命数据确定了评估焊接构架的多条S-N曲线方程,在此基础上采用整体名义应力法和局部缺口应力法计算了关键主焊缝的寿命次数。结果表明:所有焊缝的寿命次数均大于2×10~6次,满足轨道车辆焊接接头设计标准要求;其中构架侧梁T型角接头在垂向动载作用下寿命较低,应通过焊缝磨削处理降低其应力集中程度。由于名义应力法分析结果较缺口应力法更为保守,从结构轻量化和局部优化角度出发,采用局部缺口应力进行焊接结构疲劳寿命预测更具有优势。     

人工蚀坑对复杂应力场下钢桥焊接接头疲劳寿命的影响

为研究人工蚀坑对复杂应力场下钢桥焊接接头疲劳寿命的影响规律,以45°倾角全熔透承载角焊缝十字形焊接接头为研究对象,构造两种不同深度的人工半球形蚀坑模拟实际腐蚀情况;对不同蚀坑深度下的焊接接头进行轴向拉伸疲劳试验,建立疲劳缺口系数与蚀坑深度的关系;提出一种考虑蚀坑深度和应力幅的腐蚀疲劳寿命影响系数定义方式。结果表明:在相同蚀坑半径下,随着蚀坑深度的增加,疲劳缺口系数及其变化率均增大,疲劳缺口敏感系数为0.389;不同蚀坑深度和应力幅下焊接接头的疲劳寿命不同,蚀坑深度对疲劳寿命的影响更灵敏;基于腐蚀疲劳寿命影响系数得到的疲劳寿命预测值与试验值最大相对误差为-21.5%,表明两者吻合较好,因此环境腐蚀下应综合考虑蚀坑深度和应力幅对焊接接头疲劳寿命降低程度的影响。     

超声冲击和机械打磨提高SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能

为提高转向架焊接构架焊接接头的超高周疲劳性能,分别采用不同冲击参数和冲击方式下的超声冲击和机械打磨,处理动车组转向架用SMA490BW钢的焊接接头,并利用超声疲劳试验系统测试处理前后焊接接头的超高周疲劳性能。通过残余应力测试、金相组织和断口形貌观察,分析用超声冲击和机械打磨提高SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的机理。结果表明:在330 MPa应力条件下原始焊态接头的平均疲劳寿命约为0.252×107周次,经机械打磨后疲劳寿命可提高至1.232×107周次,提高约5倍;在2.0A冲击电流下对焊趾及焊根处进行20min的局部超声冲击后,其疲劳寿命可达4.978×107周次,提高约20倍;残余压应力的引入、表层晶粒的细化和焊趾外形的修整是焊接接头疲劳性能得到提高的主要原因;焊接接头经过超声冲击强化后,疲劳裂纹的萌生位置可能从焊趾或焊根处转移到材料表面其他缺陷处。     

超声冲击对转向架用16MnR钢焊接接头疲劳性能的影响

采用HJ2-Ⅱ型超声冲击枪,对转向架用16MnR钢的焊接接头表面进行超声冲击处理.利用EHF-EM200K2-070-1A疲劳试验机,采用较低载荷频率(低于10 Hz)对16MnR钢焊接接头超声冲击前后的疲劳性能进行对比试验.试验结果表明:在疲劳寿命为2×106时,焊接接头试样在超声冲击处理前后的疲劳强度分别为265和325 MPa,提高了22.6％;超声冲击处理后焊接接头的疲劳寿命是处理前的51～59倍.经过超声冲击处理后,焊接接头焊趾处的应力集中程度和焊接残余应力降低,表明超声冲击处理对提高16MnR钢焊接接头疲劳性能具有显著的效果.     

焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究

针对机车车辆各焊接承载部件的结构疲劳性能,在广泛参考和借鉴国际上动态承载焊接结构的疲劳研究成果,并对各种现行国内外工业设计标准或规范进行对比研究的基础上,主要就焊接残余应力的结构疲劳性能影响及其考虑方式相关内容进行了详细和深入的探讨.明确在机车车辆各焊接承载部件的焊缝接头疲劳设计、强度评定及寿命预测分析中,必须重视焊接残余应力的疲劳影响作用,并应依据实际结构几何及焊缝接头形式、承载特点、残余应力真实分布等因素,采取适当方法予以合理考虑.     

货车三轴转向架焊接构架抗疲劳设计

对比分析了国内外焊接构架设计标准,指出ASME标准中的主S-N曲线法是复杂焊接结构焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测的科学方法。采用该方法和TSI中的疲劳载荷对某货车三轴转向架焊接构架焊接接头应力集中进行了分析,结果表明,构架侧梁、心盘梁和横梁内的加强筋板与焊缝的相交处是焊接接头应力集中的主要发生部位。以降低焊缝应力集中为结构设计改进思路,对构架重新进行了设计,改进方案构架焊缝的应力集中得到相当大的缓解,应力幅值最大降低了75MPa,疲劳加载3个阶段焊缝的累积损伤均小于0.25。     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响因素

对转向架用SMA490BW钢焊接试样,采用冲击电流为1.5A、冲击时间分别为5,10,15或20min的超声冲击、低温热处理、机械打磨(磨平焊缝余高、打磨焊趾)的处理方法,通过残余应力测试和超声疲劳试验,对比分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素单独作用时对焊接接头超高周疲劳性能的影响程度,并借助扫描电镜观察疲劳断口,分析焊接接头超声冲击前后的裂纹萌生位置变化及失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨后,焊接试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高;磨平焊缝余高对提高焊接接头疲劳寿命最为显著,较原始焊接试样其疲劳寿命可提高约86.4倍;改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对延长焊接接头寿命的贡献比分别约为59%,28%和13%;焊态及冲击态试样的疲劳裂纹大多萌生于焊趾表面,部分冲击态试样的裂纹转而从表面的机械加工的缺陷处萌生,少数从材料内部缺陷处萌生并扩展至断裂失效。     

基于疲劳驱动力能量损伤参数修正的非线性疲劳寿命预测

针对疲劳驱动力能量模型中变幅载荷间交互因子难以确定的问题,考虑载荷大小次序、载荷间的干涉以及疲劳损伤程度等因素对变幅载荷作用下损伤累积规律的影响,在引入能量准则确定损伤参数的基础上,将变幅载荷应力比、载荷循环比、疲劳损伤程度引入载荷间交互因子的计算,建立分别采用载荷循环次数比和实时疲劳损伤对交互因子进行修正的改进非线性疲劳寿命预测模型。根据Q235B和铝合金2种常用材料的焊接接头在多级变幅载荷作用下的试验数据,对改进的疲劳寿命预测模型的预测能力进行验证。结果表明:在变幅载荷作用下,改进的疲劳寿命预测模型能有效地对焊接结构的疲劳寿命进行预测,相比其他模型更接近于试验结果,且模型中仅含有2个比较容易通过试验确定的常规参数,无需引入其他参数,便于应用于实际工程结构的分析及设计。     

提速转向架焊接构架疲劳寿命的实用分析方法

评估随机载荷作用下焊接构架的疲劳强度,并开展随机载荷下焊接构架疲劳寿命及可靠性研究。提出焊接构架疲劳控制部位的确定方法。开发用于采集应力时间历程的多通道、能连续十几小时工作的数据采集系统,研究了多种提高数据可靠性技术。建立基于累积破坏率的非线性二维疲劳累积操作准则及可靠性分析判据,在此基础上建立疲劳寿命及可靠性分析模型。对焊接构架用16MnR钢两种常用接头进行了系统的疲劳试验研究,得出接头疲劳性能数据曲面。对提速客车所用的209HS型转向架焊接构架的疲劳寿命及可靠性进行分析计算,得出可靠度为50%条件下大约可以运用5 75年;在99%的可靠度下,只能运用2 47年的结论。     

动车铝合金车体焊接接头非线性疲劳累积损伤模型

动车铝合金车体焊接接头疲劳寿命对加载顺序比较敏感,而传统的Miner法无法考虑载荷加载顺序。本文在损伤曲线法的基础上,提出非线性累积损伤模型的数学表达式及参数拟合算法,给出平均应力情况下使用此模型的扩展算式,并对铝合金焊接的对接接头、角接接头进行两级加载实验。实验结果证明:本文模型计算误差小于10%,比传统的Miner模型有更高的精确度,说明这一模型可用于铝合金焊接结构疲劳寿命计算。     

考虑疲劳损伤约束的车辆焊接结构轻量化设计

针对车辆焊接结构轻量化与疲劳寿命问题,提出考虑焊缝疲劳损伤约束的轻量化设计方法.采用国际焊接学会(IIW)的焊接接头与部件的疲劳设计评估标准,基于迈纳尔损伤累积理论,预测焊缝的疲劳累积损伤;以结构质量最小为目标,在应力、位移等常规约束基础上,加入焊缝疲劳累积损伤约束,建立了车辆焊接结构的轻量化模型.研究基于有限元分析的结构轻量化优化设计策略,采用试验设计方法对设计空间合理抽样,以样本数据建立近似响应模型,采用数值优化算法寻优,提高复杂工程问题优化计算的效率.利用该方法对某焊接构架进行了考虑焊缝疲劳损伤约束的轻量化设计,采用均匀设计法对14个设计变量进行50次试验,以样本数据及响应值建立径向基神经网络近似模型,采用序列二次规划算法进行优化设计,质量减轻12.5%.对实例的计算证明该方法的可行性与实用性.     

扭曲载荷对160km/h货车转向架构架焊缝的疲劳损伤影响

依据UIC510-3规定的动态疲劳试验载荷和IIW提供的焊接接头疲劳强度S-N曲线,基于结构有限元分析技术和Palmgren-Miner线性累积损伤准则,对160 km/h货车转向架焊接构架侧梁主结构焊缝接头的疲劳损伤进行数值仿真计算。着重研究有无扭曲载荷作用下,各疲劳关注部位累积损伤的变化程度和规律。仿真结果及综合分析表明:扭曲载荷作用导致的损伤增幅在累积损伤较高部位最大仅约为6%,其对构架主结构的疲劳损伤影响极为有限。因此考虑到疲劳试验设备的加载能力,对160 km/h货车转向架焊接构架及摇枕进行动态疲劳试验时可不必施加线路扭曲载荷。     

铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算

针对铁路正交异性钢桥面板中典型疲劳裂纹形式,建立计算模型。采用有限元数值方法模拟钢桥面板应力分布,确定各典型疲劳裂纹最不利位置;利用有限元子模型技术模拟各疲劳裂纹位置焊接细节,分析焊缝引起应力集中程度及对疲劳裂纹产生所造成影响;依据断裂力学揭示疲劳裂纹扩展速率与裂纹周围应力场关系,对几种典型疲劳裂纹进行疲劳寿命估算。结果表明:在桥面板与纵肋连接处,桥面板疲劳裂纹寿命较短,而纵肋疲劳裂纹寿命较长,这与国内外现场实测及试验结果相吻合;在横梁与纵肋连接处,其主应力较大且应力集中效应明显,极易产生疲劳裂纹。     

基于二次开发技术及AAR标准的货车焊接结构疲劳寿命预测

为解决对铁路货车车辆焊接结构疲劳寿命预测的难题，运用I-DEAS软件提供的二次开发功能，研制了基于AAR标准的铁路货车疲劳寿命预测系统。采用CORBA与I-DEAS互操作技术将载荷谱处理模块、FEA结果提取模块、疲劳计算模块、综合计算模块以自定义ICON形式嵌入到I-DEAS软件之中。采用Miner线性累积损伤理论及AAR标准中提供的SN曲线，实现了有限元分析与疲劳寿命预测的系统集成。最后，以铁路重载运煤货车为实例，进行疲劳寿命预测与方案评估，证明当从疲劳寿命的角度对铁路货车的设计方案选优时，本文的研究是有实用价值的。     

高强度热处理钢轨闪光焊接头断裂原因分析

国内一重载铁路服役过程中高强度热处理钢轨闪光焊接头发生断裂。采用体视显微镜、光学显微镜和扫描电镜对断口宏微观形貌、金相组织等进行检验,分析接头断裂原因。结果表明:接头断裂是在循环载荷作用下的疲劳断裂,接头轨底脚严重氧化的黑色区域是裂纹源区;由于顶锻量过大,焊接流线升角达到71.5°,在车轮的循环载荷作用下,接头轨底脚沿流线逐渐开裂氧化,并以此为疲劳源向轨底中心区缓慢疲劳扩展,最后导致接头瞬间脆性断裂。     

车辆装配前铝合金焊缝节点结构疲劳试验研究

铝合金焊缝节点结构作为车体结构中的重要组成部分,车辆装配前对焊缝节点结构强度进行研究具有重要意义。为了掌握铝合金焊缝节点结构的疲劳强度性能,选取实车中出现疲劳裂纹破坏的典型节点部位制作标准件进行疲劳试验;根据试件与实际车体疲劳破坏位置的应力分布趋势一致的原则,设计了两种典型焊接形式的标准件结构模型,并且确定了疲劳试验的加载方式以及试验工装设计,给出了试验模型的疲劳破坏位置以及通过成组试验获得的典型节点形式的S-N(应力-寿命)曲线。同时利用非线性有限元方法对铝合金焊缝节点结构进行疲劳强度计算,将计算结果与试验结果进行对比分析,验证了所采用有限元计算方法的准确性和普遍适用性。