基于DVS1612-2014标准的轨道车辆复杂结构焊接接头应力因子分析

利用DVS1612-2014和EN15085-3:2007标准,研究轨道车辆复杂承载部件焊接接头的应力因子.首先,基于德国标准DVS1612-2014,提出计算应力因子的方法,并以箱型梁结构的疲劳问题为例,研究焊接接头应力因子的影响因素,结果表明:评估位置距离焊缝越近,应力因子越大;应力集中区域的单元尺寸越小,应力因子越大;减小焊趾角度可有效地降低应力因子;其次,为高效便捷地计算复杂结构焊接接头的应力因子,通过研究有限元分析软件ANSYS的数据库结构,利用APDL语言编制了适用于多载荷工况、任意焊缝空间形状的应力因子计算程序;最后,在EN13749-2011标准规定的27种模拟运营载荷工况作用下,分析某快捷货运列车转向架焊接构架接头的应力因子,结果表明:所评估部位的应力因子较小,满足疲劳设计要求,其中侧梁外腹板与上盖板焊缝处的应力因子为0.33.     

矩形管接头疲劳失效位置预测及应力因子分析

为解决复杂焊接接头的抗疲劳设计,依据BS7608标准中的名义应力法和ASME标准中的结构应力法及BS EN15085-3标准中的焊接结构疲劳设计要求,研究矩形管接头的疲劳问题.首先,研究标准中的疲劳寿命预测方法以及涉及的名义应力与结构应力的区别与联系;接着,利用某矩形管接头的有限元分析模型,研究沿接头焊缝应力的分布规律及影响因素,结果表明:与最大主应力和Von. Mises应力分布规律不同,矩形管接头沿焊缝结构应力最大值发生在焊缝拐角焊趾处,与其疲劳试验中接头失效位置一致;位于焊趾表面的、具有高应力梯度变化的区域内名义应力对单元尺寸表现出强的敏感性,而在能够表示焊缝轮廓的模型中描述整个断裂截面的结构应力则对单元尺寸变化不敏感.最后,基于名义应力法和结构应力法对矩形管接头焊缝进行应力因子分析,结果表明:管接头失效位置的应力因子最大值大于0.90,应力等级为高.     

惯性载荷作用下结构应力法焊接结构抗疲劳性能研究

基于结构应力法计算了焊缝的等效结构应力和累积损伤比,对这两种焊接形式在惯性载荷作用下的疲劳特性进行了分析.分析了采用名义应力法和等效结构应力法对有限元网格尺寸的敏感性,验证了采用等效结构应力法对网格尺寸不敏感;分析了焊缝类型、承载方向及焊接板厚度对结构疲劳寿命的影响.结果表明,当载荷方向垂直于焊线且垂直板所在平面时,焊缝的寿命最低,且对接焊缝比角焊缝更易发生破坏;在三个方向惯性载荷共同作用下,角焊缝的疲劳寿命要比对接焊缝疲劳寿命长;在保证焊趾两侧刚度协调的前提下,同时增加两个焊接板件厚度可以提高焊缝的疲劳寿命,只增加或者减少一个板件厚度,都会导致焊缝疲劳寿命降低,尤其是角焊缝.     

多轴转向架焊接构架焊缝应力集中分析与寿命研究

利用美国ASME-2007标准中的结构应力法和有限元数值分析技术,研究某多轴转向架焊接构架焊缝结构应力分布规律,指出在垂向斜对称载荷工况作用下构架应力集中发生部位;以降低焊缝应力集中为出发点,对焊接构架结构进行改进设计.构架改进结构后焊缝结构应力幅值降低,疲劳寿命显著提高.     

动车组铝合金车体焊缝质量等级评价的应力因数计算方法

建立了某型动车组铝合金焊接车体的有限元分析模型，对焊缝部位进行简化建模，焊缝与实际存在的差异在等效结构应力计算中进行修正；基于标准BS EN 12663—1:2010分析了车体承受的载荷，采用Box-Behnken正交矩阵设计确定了车体的9个疲劳载荷工况；对车体有限元模型施加多轴载荷，分析了车体侧墙上的4条长焊缝部位的应力分布，确定了6个应力因数计算的关注点；采用名义应力法和等效结构应力法计算车体侧墙焊缝的应力因数，对比分析了2种应力分析方法。分析结果表明:2种应力分析方法在循环次数为1.0×107的许用应力范围不同，名义应力为16.40 MPa，等效结构应力为26.61 MPa；6个关注点的名义应力范围均小于其等效结构应力范围，得到的车体焊缝6个关注点的名义应力和等效结构应力的应力因数分别为0.33、0.25、0.50、0.49、0.76、0.62和0.23、0.24、0.39、0.45、0.61、0.48；针对同一焊缝的关注点，名义应力法计算的应力因数大于采用等效结构应力法计算的应力因数；名义应力法存在很大的分散性，导致应力因数偏大，而等效结构应力法物理意义更明确，计算的应力因数更为合理。      

基于名义应力法的动车组车体净水箱吊装部件疲劳强度分析

针对高速运行动车组车体悬挂设备振动疲劳损伤问题,以某型动车组车顶净水箱吊装结构为研究对象,采用名义应力法对吊装结构的焊缝部位进行疲劳强度评估.根据EN 12663标准确定净水箱的工作载荷工况,采用有限元法计算了各工况下结构的振动响应,并基于BS标准计算了焊缝疲劳评估点的寿命.假定各载荷工况出现频率相同的情况下,构造了工作载荷历程,采用Fe-safe软件对焊缝的疲劳寿命进行了仿真分析.两种方法分析结果均表明:焊缝1与焊缝2寿命最低,是结构最易发生疲劳破坏的位置;焊缝位于筋板表面的焊趾寿命低于位于主支撑板表面的焊趾寿命.     

基于子模型技术的转向架焊接构架疲劳评估

为提高高速动车组焊接构架复杂区域的有限元分析结果精度,降低求解规模和分析时间,利用子模型技术进行了焊接构架的疲劳评估.以某型动车组动力转向架焊接构架为研究对象,依据UIC 615-4和EN 13749标准中的载荷施加要求,采用有限元软件ABAQUS进行了运营工况不同载荷组合下的强度分析,并进行了焊缝处的疲劳强度分析,确定了焊接构架的疲劳薄弱区域.在此基础上,运用子模型技术将应力幅值最大的转臂定位座与下盖板角焊缝区域从构架整体中分离出来进行构架的疲劳评估,采用热点应力法得到该处的疲劳寿命为3.6×10~6次,满足IIW标准规定的2×10~6次,分析结果表明该构架疲劳寿命满足设计要求.     

4D轴货车焊接构架的疲劳强度分析方法

以某货车厂研制的新型4D轴货车焊接整体构架为研究对象,在ANSYS9.0有限元软件中建立完整的构架三维模型,根据UIC510-3规程,分析计算构架的应力分布情况、评估其疲劳强度,得出疲劳薄弱区.采用子模型技术,对疲劳薄弱区的焊接细节结构进行热点应力分析,进一步评价构架的疲劳强度.通过动应力实测编制疲劳薄弱区的应力谱,由S-N曲线和Miner累积损伤法则,预测构架的疲劳寿命.     

正交异性钢桥面板焊接接头疲劳评估方法

传统正交异性钢桥面板疲劳性能评价方法评估精度不足,为准确评估其焊接接头的疲劳性能,基于线性累积损伤理论,探讨了结构应力法、切口应力法用于正交异性钢桥面板焊缝疲劳性能评估的可行性和准确性.以典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用足尺模型试验和仿真分析,并结合已有试验数据对上述评估方法进行验证.研究结果表明:与结构应力法相比,采用切口应力法或传统名义应力法评价正交异性钢桥面板的疲劳性能时,评价结果的离散性大;采用结构应力法(离散度为3倍标准差的主S-N曲线时)更准确,适用于正交异性钢桥面板焊接接头疲劳性能评估.      

考虑气动载荷的动车组铝合金司机室焊接接头应力因子分析

基于EN1999-1-3:2007和IIW-2008标准及EN15085-3标准,研究高速列车频繁地通过隧道时列车头部或尾部承受瞬间突变的气动载荷导致车体结构疲劳损伤的问题.基于上述标准的接头疲劳性能参数和疲劳评定方法及损伤等效原则,应用C#语言和ANSYS的APDL语言编写了高速动车组铝合金车体在BS EN12663标准的加速度疲劳载荷和气动疲劳载荷共同作用下,车体焊接接头应力因子的计算程序.在2×106次的0～4000 Pa气动载荷和107次的三方向加速度±0.15 g载荷共同作用下,利用某高速动车组头车车体结构有限元模型和自编计算程序对司机室焊接接头进行疲劳评估与应力因子分析.结果表明:主要由气动疲劳载荷引起的司机室焊接接头的累积损伤和应力因子均是IIW的计算结果大于EN 1999-1-3的计算结果;司机室立柱与边梁焊缝的累积损伤和应力因子最大,分别为0.753和0.987.建议高速动车组司机室焊接结构抗疲劳设计时应重点关注气动疲劳载荷.     

焊接接头疲劳寿命评估中板厚参数的影响分析

针对焊接接头板厚参数对其疲劳寿命的影响问题,分别采用IIW2008、BS7608等疲劳评估标准以及ASME标准进行对比性计算与分析.选用焊接部件中典型的十字型接头,材料分别选用铝材和钢材两种主流的金属材料,并采用名义应力法及结构应力法等方法计算不同厚度下的铝材及钢材焊接接头的疲劳损伤.计算结果表明:当焊接结构的载荷方向明确且厚度在20~30 mm之间的情况下,使用IIW 2008标准评估疲劳更为合理;当焊接结构复杂或是焊接板很厚或很薄的情况下,建议使用Verity方法评估疲劳寿命.     

焊接残余应力对动车组铝合金车体疲劳强度的影响

采用热-弹塑性法和固有应变法计算了动车组铝合金车体对接接头的残余应力, 并进行了对比, 以验证采用固有应变法计算残余应力的合理性; 建立了车体的板壳有限元模型, 参照标准《铁路应用—铁路车辆车体的结构要求》 (EN 12663), 确定车体服役状态的疲劳载荷工况, 采用惯性释放法计算了车体有无残余应力的疲劳强度; 根据最大主应力原则, 将车体多轴应力转化为单轴应力, 得到焊缝和母材关注点的平均应力和应力幅值; 结合铝合金车体材料性能参数绘制了Goodman疲劳曲线, 计算了每个关注点的可靠性安全系数, 分析了残余应力对车体疲劳强度的影响。分析结果表明: 焊接残余应力对母材关注点影响不大, 其可靠性安全系数降幅小于5%;焊缝关注点的平均应力增加量可达25 MPa, 其可靠性安全系数降幅超过50%, 最大为54%, 使得车体容易疲劳失效; 残余应力对焊缝关注点最大主应力的方向有明显的改变。      

铰接式轻轨客车车体结构强度的精细分析

为设计满足EN12663-2010标准性能要求的铰接式轻轨客车车体,提出了车体结构静强度精细分析方法和车体焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测方法.以某出口铰接式轻轨客车铝合金车体为研究对象,首先建立了铰接车体整体结构的一级薄壳单元有限元模型;并在车体一级有限元模型分析的基础上,采用子模型技术与非线性接触技术相结合的方法构建了车体铰接模块的二级有限元模型,经接触非线性数值试验,优选出合理的铰接模块设计方案.采用美国ASME-2007标准的主S-N曲线法,对铰接车体焊缝进行了应力集中分析与疲劳寿命预测,识别出了焊接接头疲劳寿命的薄弱部位.借助焊缝结构应力的分析,提出的改进方案焊缝寿命比原始方案提高了2.49倍.     

一种新的焊接构架疲劳分析方法

为了在多工况下进行焊接构架多轴应力的疲劳强度评估,在直接法和投影法的基础上,将二阶张量坐标变换的性质应用于构架的多轴应力疲劳评估,提出了张量法.该方法将多轴应力转换到同一坐标系和同一截面下,根据获得的最大应力和最小应力进行疲劳评估.以某型转向架焊接构架为例,建立了该构架的有限元模型,计算结构在多工况下的应力,并用直接法、投影法和张量法计算了焊接构架的疲劳强度. 通过临界面法和Ncode软件的计算,验证3种方法的合理性.结果表明:考虑多轴应力方向的张量法明显优于另外两种方法,与Ncode计算结果误差最小,为4.42%.      

基于等效结构应力的不锈钢车体点焊接头疲劳寿命预测

采用等效结构应力法研究不锈钢车体点焊接头疲劳寿命.首先,在研究点焊接头的失效模式、结构应力计算方法的基础上,归纳总结了基于等效结构应力法进行点焊接头疲劳寿命预测的技术路线;其次,建立某不锈钢车体包括点焊接头在内的有限元模型,依据EN12663-1∶2010标准中提供的车体疲劳载荷谱,分析了主横梁与底架边梁区域的点焊接头结构应力分布规律,并对这些焊点进行了寿命预测;最后,采用改变焊点数量和布置及增加板厚的方式,使点焊接头疲劳寿命提高了3.87E+06.     

基于英国标准的碳钢客车车体 结构疲劳寿命评估

利用英国标准和有限元分析技术,研究设计阶段碳钢客车车体焊接结构的疲劳寿命预测问题.归纳与总结BS7608:2014和BS EN-1993-1-9:2005标准中钢结构焊接接头S-N曲线的特点;在分析某碳钢客车车体焊接结构与承载特点的基础上,建立车体有限元分析模型;在EN 12663-1:2010标准中的疲劳载荷作用下,分别利用上述两个标准提供的基于名义应力标定的疲劳性能参数,以及评估部位数值分析结果的主应力方向,对车体结构进行疲劳寿命评估;基于BS标准的车体评估部位的累积损伤值均大于基于EN标准的,并且两标准的最大累积损伤均小于1;由于应力拾取位置对车体累积损伤值有很大影响,建议尽可能细化含有焊接接头的应力集中区域的单元,以便拾取到应力梯度近似为零的名义应力.     

高速动车组焊接构架疲劳强度评估

针对高速动车组焊接构架的结构特点,建立某型高速动车组转向架焊接构架有限元模型,基于TB/T 2368-2005标准对焊接构架进行静强度分析,遴选出相对薄弱部位,并基于动应力法对选取的薄弱部位进行动应力计算,结合材料的Goodman疲劳曲线,评估焊缝区和非焊缝区的疲劳强度.结果表明:超常载荷工况下,构架的最大应力出现在焊缝区,为296 MPa,13种模拟运营工况下,无缝区的最大应力为225 MPa,焊缝区的最大应力为195 MPa,均未超出结构材料的许用值. 6个考察部位中只有侧梁下盖板和转臂座连接处的应力幅略高于焊缝疲劳许用应力,其余各部位的动应力均符合设计要求.     

基于结构应力的转向架构架焊缝疲劳强度研究

为了解决现行标准中转向架构架焊缝容许疲劳强度数据存在的问题,针对当前的各种结构应力方法和数据,就其在焊缝结构应力测试、容许应力幅、设计值存活率、平均应力修正、焊缝修整疲劳强度提高及极限容许应力确定等方面的关系和差异进行对比,并构建了Q345钢焊缝基于实测结构应力的疲劳图和S-N曲线. 结果表明:转向架构架焊缝结构应力的实测可沿用B12/RP17规定的方法,即采用6 mm长的应变片并将其前端紧靠焊趾边缘布置;建议借鉴IIW (International Institute of Welding) FAT100和FAT90两组基本数据,并应用其平均应力和焊缝修整疲劳强度提高的修正方法,构建更加合理的基于实测结构应力的焊缝容许疲劳强度数据;对于2 × 106次循环数对应的疲劳图,极限容许应力可参考DVS 1612规定的方法,由母材屈服极限除以相应的安全系数确定.      

转向架构架疲劳应力计算与评估

为评估某低地板车辆焊接转向架构架的疲劳强度,采用ANSYS有限元仿真软件搭建转向架构架三维有限元模型,分别计算母材、打磨的焊缝边缘部位和不打磨的焊缝边缘部位的3组包络线的许用应力,与11种动载荷的组合变化应力相比较,评价构架的疲劳强度是否满足设计要求.结果 表明:转向架构架母材和打磨过的焊缝边缘部位疲劳强度满足要求;在转向架构架安全裕量较小的焊缝部位必须打磨才能满足疲劳强度要求.     

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明:改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明:<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.