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。      

不锈钢激光-MAG复合焊接头成型规律及性能

为了给新一代城轨列车的焊接制造提供技术支持,以列车用6 mm SUS301L-MT奥氏体不锈钢为研究对象,采用焊缝截面分析、金相观察、X射线衍射法、残余应力测试等手段,研究了激光-MAG(metal active gas welding)复合焊接头的成型规律及接头性能.结果表明:激光功率、离焦量增大能增加焊缝上表面熔宽;焊接速度增加后,焊缝中部熔宽和下表面熔宽明显减小;焊缝宽度比随离焦量的增大显著增加;焊缝组织为奥氏体+δ铁素体;接头纵向残余应力在接头中心位置存在极大值,约为330 MPa.     

动车组铝合金车体焊接接头应力集中区域识别

基于结构应力研究动车组铝合金车体焊接接头的应力分布特征.首先,建立某动车组铝合金车体包括焊接接头在内的有限元模型,然后,在EN12663-1:2010标准中的主要静态载荷作用下,分析车体典型焊接接头的结构应力沿焊缝长度的分布规律.结果表明:车体焊缝应力集中发生部位主要为门立柱下方以及设备舱挡板附近的底架地板型材与底架边梁搭接焊缝处.当通过打磨等改善技术提高车体焊缝疲劳强度时,应重点关注这些区域.     

动车组铝合金车体焊接接头应力集中区域识别

基于结构应力研究动车组铝合金车体焊接接头的应力分布特征.首先,建立某动车组铝合金车体包括焊接接头在内的有限元模型,然后,在EN12663-1:2010标准中的主要静态载荷作用下,分析车体典型焊接接头的结构应力沿焊缝长度的分布规律.结果表明:车体焊缝应力集中发生部位主要为门立柱下方以及设备舱挡板附近的底架地板型材与底架边梁搭接焊缝处.当通过打磨等改善技术提高车体焊缝疲劳强度时,应重点关注这些区域.     

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.     

6061-T6铝合金构件焊接残余应力分布

针对国产TIG焊接成型的6061-T6铝合金箱形构件的残余应力分布,采用ABAQUS有限元软件,研究其残余应力的分布规律.选用温度-位移耦合C3D8T单元,建立残余应力分析的有限元模型,获得6061-T6铝合金TIG焊接成型的箱形构件的残余应力值,经盲孔法实测验证有限元方法的可靠性.有限元模拟结果表明,TIG焊接成型的6061-T6铝合金方形构件的残余应力总体呈U型分布,应力峰值位于构件角部,谷值位于板件中部;残余应力影响范围及峰值与板厚有关.     

小盲孔法和磁性法测残余应力的比较

本文对目前在焊接结构残余应力测试中应用最广的小盲孔法及磁性法进行比较。首先进行标定、得到了必要的数据及图表,然后进行测试比较。结果表明,可比性较差。文中分析了造成误差的原因,并指出,虽然目前对磁性法的测量精度还有争议,但用其检测消除焊接结构中残余应力的效果是可靠的。      

钻孔法测试残余应力基础理论研究

论述了传统钻孔法测试残余应力中存在的不完善之处。并对中心有一圆孔(包括穿孔与盲孔)的钢板,在各种载荷工况下,根据实际应力场与直角应变花测试的实际情况,用弹塑性FEM算得各种工况下的结点应变值,用结点数值的变化来模拟直角应变花测得数据,并计算出大量的已知应力场的直角应变花的三个释放应变。通过逐步回归的数学处理方法,建立了钻孔测试法中,残余应力与测试应变之间的关系式。     

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.     

纵向冲击下高速列车车体承载极限数值模拟

进行了高速列车车体6005A-T6、6082A-T6铝合金的静态拉伸和动态压缩试验,识别了0.001~2 500 s-1应变率范围内2种铝合金的材料应变率效应,建立了对应的Johnson-Cook本构模型;构建了高速列车典型车辆的显式动力分析模型,完成了刚性墙冲击车体过程仿真,研究了车钩稳态载荷、冲击速度、加载方式对车体承载极限的影响;分析了高速列车一号车和二号车车体在冲击载荷下的变形演化,通过应力变化临界点确定了车体的承载极限,并对列车在更高能量配置模式下的车体承载性能进行了验证。研究结果表明:在0.001~2 500 s-1应变率范围内,6005A-T6和6082A-T6铝合金应变率敏感系数分别为2.9×10-3和8.5×10-3,应变率效应不明显;纵向动态冲击载荷下,应变率强化对铝合金车体结构承载力影响不明显,惯性效应是其承载能力高于静态极限的主要原因;纵向冲击载荷从车钩位置传递时,一号车和二号车车体的动态承载力水平显著高于车体许用静态压缩载荷;冲击载荷下的车体结构承载力可为高速列车碰撞各界面能量分布问题中吸能元件平台力取值提供上界;可适当考虑提高车体许用压缩载荷以扩大列车端部吸能部件力学参数设计域,以满足更苛刻需求下的列车被动安全性能。      

转向架焊接残余应力的测试及退火工艺

利用磁弹性法测量了材质为16MnR的CW-200型焊接转向架构架一定深度处的残余应力,分析了热处理前后构架中残余应力的分布及变化规律,并且研究了不同的退火工艺对焊后构架残余应力的影响．结果表明：构架焊接后存在较高的残余应力,在牵引杆座与横梁焊缝处最大值达到193MPa拉应力;而经过不同的去应力退火工艺处理后,残余应力的消除率不同．在630℃退火、保温3h工艺条件下试验用构架残余应力平均消除率最高,X、y方向的最大消除率分别为58．3％和54．6％．     

高速磁浮列车车体国产化

分析了由德国进口的上海磁浮列车车体结构静力学性能，结合中国铝合金挤压型材的生产工艺水平，提出了大型整体铝合金挤压型材拼装的磁浮列车车体设计方案。根据磁浮列车空气动力性能研究结果，参照轮轨系统列车车体结构设计规范，分析了作用于高速磁浮列车车体结构上的八种载荷组合工况。对两种车体结构静力分析结果的比较表明车体应力与振动频率均满足规范要求，车体实现国产化是可行的。     

LY12铝合金搅拌摩擦焊工艺研究

对LY12铝合金进行了搅拌摩擦焊接工艺试验,并对焊接接头进行了金相观察和力学性能检测.试验结果表明,合理的焊接参数匹配是取得性能优良焊接接头的前提.当旋转速度为905 r/m in、焊接速度为33.6 mm/m in、肩部压力为48MPa时施焊,可获得成型良好无缺陷焊接接头,且焊缝区晶粒细小.搅拌摩擦焊焊接轧态LY12铝合金时,焊接时的热输入可部分消除接头处金属的冷作硬化.随着焊接速度的提高,焊接热输入量降低,消除冷作硬化的能力减弱,焊接接头抗拉强度提高.     

LY12铝合金搅拌摩擦焊工艺研究

对LY12铝合金进行了搅拌摩擦焊接工艺试验,并对焊接接头进行了金相观察和力学性能检测.试验结果表明,合理的焊接参数匹配是取得性能优良焊接接头的前提.当旋转速度为905 r/min、焊接速度为33.6 mm/min、肩部压力为48 MPa时施焊,可获得成型良好无缺陷焊接接头,且焊缝区晶粒细小.搅拌摩擦焊焊接轧态LY12铝合金时,焊接时的热输入可部分消除接头处金属的冷作硬化.随着焊接速度的提高,焊接热输入量降低,消除冷作硬化的能力减弱,焊接接头抗拉强度提高.     

履带板加热器消除焊接残余应力的试验研究

测试了履带板加热过程中温度沿钢板厚度方向的分布，并用小孔释放法测试了补焊试板在焊态、经履带板加热以及炉内加热后残余应力的分布．结果表明，履带板加热时所需加热时间较长，但温度沿试板厚度方向梯度小，截面温度分布均匀；履带板加热器消除焊接残余应力效果与炉内加热相当．     

高速列车齿轮箱应力响应与疲劳损伤评估

进行了高速列车线路试验, 研究了GPS信号与齿轮箱结构的受力特点, 获取了扭矩载荷和振动载荷作用下齿轮箱的应力时间历程曲线, 分析了在扭矩载荷、振动载荷作用下齿轮箱的应力响应特性, 并编制了应力谱, 利用疲劳损伤影响参数来反映扭矩载荷和振动载荷对齿轮箱疲劳损伤的影响程度。研究结果表明: 在扭矩载荷作用下, 列车牵引与制动的交替变化会使齿轮箱产生较大的应力响应, 最大应力幅值为25.80MPa; 在制动工况下, 齿轮箱应力呈阶梯形变化; 列车低速运行时齿轮箱吊杆座端部的高应力幅值频次大于高速阶段, 结构疲劳损伤影响参数由0.20减小到0.08, 减小了60.0%。在振动载荷作用下, 列车运行速度由350km·h-1减小到200km·h-1时, 齿轮箱吊杆座端部的应力响应强度由2.08MPa减小到0.97MPa, 降低了53.4%;在同一速度等级下, 列车头部齿轮箱的应力幅值低于列车尾部; 列车由牵引状态转变为惰性运行时, 齿轮箱的应力响应强度由3.4MPa减小到1.0MPa, 降低了70.6%;列车由低速运行转为高速运行时, 齿轮箱端部疲劳损伤影响参数由0.009增大到0.260, 增大了27.9倍。      

机车车辆车体结构动应力计算方法

为了提高机车车辆的疲劳寿命,优化其结构设计,提出了基于多系统仿真模型和有限元方法的动应力混合计算方法,计算了机车车辆车体结构的动应力。建立以车体为核心的机车多体系统仿真模型,并进行动力学分析,获得关键位置的载荷时间历程。通过有限元准静态应力法,计算了车体结构的准静态应力影响因子。通过载荷时间历程和对应单位载荷作用下的应力影响因子的相互相乘叠加求和计算,获得车体结构在随机动载作用下的应力历程,对实际线路车体结构动应力测试结果和刚性车体与柔性车体的仿真结果进行了对比。对比结果表明:其误差分别是2.462%和7.258%,说明此计算方法计算精度高。