焊接接头应力集中及疲劳寿命研究

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景
在对结构的各种失效形式的调查中，发现疲劳破坏是结构失效的最主要的原因，也是对结构进行可靠性试验中最主要的考虑因素。由于疲劳破坏的特殊性，在很多情况下会给人们带来巨大的灾难性后果。对于引起疲劳失效的循环载荷常常是小于静强度分析得到的“安全”载荷，运用传统的静强度分析是没有办法解决疲劳失效问题。据统计在机械结构破坏中有大约 80%以上均属于疲劳破坏。自从 80 年代以来，每年都有近 100 次的疲劳事故发生，所以对结构进行相应的疲劳分析具有重大意义[1]。焊接作为一种先进的制造技术在国民经济建设及工业生产中都起着至关重要的作用，被广泛的应用于汽车、飞机、铁道车辆等的制造过程中，很大程度上促进了现代工业发展。焊接是实现材料可靠、低成本、高效与精确连接的关键工艺技术，在产品的设计和工艺创新担当重要角色。在过去的几十年中，焊接技术已经在很多工业部门的金属结构（如压力容器、铁道车辆和船体等）制造中几乎取代了铆接。对于现代产品制造、使用和维护来说，焊接技术已经成为重要环节。
由于焊接工艺的特殊性，与母材相比，在焊接的连接处会大大降低构件的疲劳寿命，这就使得在实际使用中焊接结构往往在焊接处失效破坏，从而造成事故的发生。而且进行焊接的工艺与设备也是比较复杂的，成本也很高。如果能在焊接构件设计的初期通过疲劳寿命的分析和估算，对结构寿命有个有个整体的了解，这对于实际的应用有很大的意义的，不但可以提高产品的设计、研发的周期，还可以大大减少对其进行试验的成本[2]。对于大多数的铁道车辆的承载构件来说，焊接这种连接方法已经运用地相当广泛，例如一般的客货车的车体和转向架都是通过焊接方法实现的。一个国家的铁路车辆装备水平很大程度上取决于焊接工艺水平。焊接结构的轻量化已经得到了广泛的应用，实现了提高载重和降低自重的要求。但是随着我国经济的快速发展，高速化、重载化成为趋势，车辆的各个零部件的工作环境趋于恶化，所有作为车辆关键部分的焊接结构来说，其疲劳损坏将日趋严重。为了保证高速列车的安全行驶，对焊接结构的疲劳性能的研究已是迫不及待。所有的构件在服役一段时间之后，尤其是在受到循环载荷作用后就会发生破坏现象，这种破坏就是疲劳（fatigue），在破坏之前的正常工作时间为寿命（fatigue life）。疲劳是构件的局部现象，多数构件在破坏发生前基本没有明显的宏观裂纹（脆性材料或低韧性材料中）。对于焊接件来说，由于焊接的过程是极其复杂的，所有焊接件常常含有各种缺陷。在这些含有缺陷的部位是很容易发生疲劳破坏的。因此，对于焊接件来说，焊接部位的使用寿命将直接影响整个结构的使用安全。铁道车辆各个部件所受的载荷是不同的，在不同的位置需要采用相异的焊接形式，所有运用统一的评定标准来对车辆进行疲劳分析是不可能的。若是对不同部位的不同构件进行相应的疲劳试验，则由于劳动强度高，试验成本高使得其很难完成。所以目前被广泛采用的是仿照结构焊接形式相同的焊接接头来进行相应的疲劳分析，这种方法具有制造成本低、试验周期短、易于操作等优点。焊接结构的疲劳评定主要还是针对焊接接头来分析的，只有获取焊接构件上各种形式的焊接接头的疲劳参数，才能保证疲劳强度的要求，从而实现成本的节约[3]。
随着我国铁路交通运输能力的不大发展与提高，因为其具有速度大、运量大、环保节能等优点，已经在我国经济运输中占有越来越重要的地位。随着武广线（最高运行时速 390 公里/小时）、京津线（最高运行时速 350 公里/小时）的开通，我国铁路交通运输已经变为全国交通运输的大命脉，继而走上了高速化的发展道路。但是随之而来的铁道车辆的疲劳问题也日益突出，因此对于铁道车辆的疲劳寿命的研究工作也变得十分必要和迫切。列车转向架是铁道车辆构架的最主要的组成部件，是保证车辆运行品质和运行安全的关键部件。转向架要承载和传递来自车体、轮对各个方向的作用力，它的疲劳寿命直接影响车辆的运行安全。列车的构架基本上都是由各部件焊接而成，焊接成为其主要的连接方式，但是焊接部位又是高应力集中区域，极易引起构件的疲劳断裂破坏。根据有关统计认为构件的疲劳失效 75%以上都是在焊接部位发生的，因此构件的疲劳强度将直接取决于焊接局部的疲劳强度，从而产生对车辆安全运行的关键影响。

1.2 课题研究的目的和意义
随着我国铁路交通运输的快速发展，高速已经成为了运输现代化的重要标志之一。因为其具有耗能低、污染轻、运能大、速度高等诸多技术经济优点，逐渐被各国普遍重视。伴随我国铁路提速的战略的不断实施，铁道车辆运行速度的不断提高，转向架所承受的动载荷明显增加。焊接作为机车转向架的连接方式，其重要性不言而喻。由于焊接工艺的特点，所以会在焊接接头的地方产生较大的应力集中现象，而且也会存在焊接残余应力，这些因素使得接头成为比较薄弱的环节，极易破坏。焊接接头的疲劳性能对于转向架乃至机车的运行都有直接的影响。目前，因转向架结构疲劳引起的铁路交通事故在明显增多。提速机车 558 转向架端梁发生疲劳断裂、提速客车 209HS转向架的吊杆、联系梁、牵引座出现疲劳裂纹；提速客车CW160 转向架的构架、吊杆和横向控制杆发生断裂；国内研发的高速动车组“中华之星”（270km/h)和“先锋号”（250km/h）在列车的试运行中也出现了群板折断和抗蛇行减震器座开裂等焊接结构的强度问题；“蓝剑”动车组的电机吊座、牵引座出现疲劳断裂[4]。这些因为零件的突然失效而致使列车发生事故中，以转向架失效的比例最高。在列车检修和维护重点抓的六项预防工作中，其中有五项都是针对转向架的[5]。
 
   1.3 本课题目前研究的现状及分析 .....................10-14
    1.4 本论文研究的来源与主要内容 .....................14-15
第二章 疲劳分析理论及软件实现 .....................15-28
    2.1 疲劳的基本概念 .....................15-16
    2.2 疲劳寿命分析、设计方法 .....................16-17
    2.3 焊接接头疲劳强度的影响因素 .....................17-21 
    2.4 焊接接头疲劳强度分析方法 .....................21-22
    2.5 提高焊接接头疲劳强度方法 .....................22-23
    2.6 基于有限元疲劳分析的实现 .....................23-27 
    2.7 本章小结 .....................27-28
第三章 疲劳相关试验及分析 .....................28-39
    3.1 疲劳相关试验 .....................28-33
    3.2 疲劳试验理论分析 .....................33-38
    3.3 本章小结 .....................38-39
第四章 疲劳试验理论计算与有限元分析 .....................39-53
    4.1 十字接头试样疲劳寿命 .....................39-47
    4.2 对接接头试样疲劳寿命 .....................47-52
    4.3 本章小结 .....................52-53
第五章 焊接接头应力集中及疲劳寿命分析 .....................53-62
    5.1 对接接头的应力集中及疲劳寿命的分析 .....................53-58
    5.2 十字接头的应力集中及疲劳寿命的分析 .....................58-61
    5.3 本章小结 .....................61-62

总结

本文主要分析了对接和十字接两种常见焊接接头的疲劳性能。对于影响因素之一的焊缝几何参数做了系统的分析，得到了其与应力集中系数和疲劳寿命的大致关系。疲劳分析采用试验与有限元分析相结合的方法进行。运用了适应于中高周疲劳分析的局部应力应变法对其去除残余应力的接头疲劳性能展开分析，采用有限元 ABAQUS 对其进行应力集中系数的分析和疲劳分析所需的静态应力应变响应，然后导入疲劳分析软件MSC.Fatigue 进行疲劳寿命分析。通过与试验对比来验证其可行性与正确性。最后通过有限元分析常见接头焊缝几何参数对应力集中的影响，得到这两者之间的关系，之后再进行疲劳寿命的分析，得到几何参数与疲劳寿命关系。分析得到的主要结论如下：
1、焊接对接接头试样在热处理之后，即去除焊接残余应力在R=0.1，最大循环应力值σmax=300MPa下的疲劳平均寿命为 0.259×106次，十字接接头在最大循环应力值σmax=220MPa下的疲劳平均寿命为 0.338×106次。
2、针对十字接焊接接头分别运用局部应力应变法中得Neuber法得到寿命为 0.235×106次，与实验误差为 30.47%；修正的Neuber法为 0.7×106次，与实验误差为 107%；考虑尺寸因素、表面加工因素的修正的Neuber法计算的疲劳寿命为 0.38×106次，误差为12.42%。对接接头计算的结果为：Neuber法为 0.225×106次，与试验误差为 13.13%；修正的Neuber法为 0.8×106次，与实验误差为 209%；考虑尺寸因素、表面加工因素的修正的Neuber法为 0.275×106次，误差为 6.18%。从上述对比结果可看出，考虑尺寸因素、表面加工因素等的修正的Neuber法与疲劳试验结果最相近，误差均在 15%以内。

参考文献

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[2] 霍立兴.焊接结构工程强度[M].北京：机械工业出版社，1995，1.
[3] T.R.格尔内.焊接结构的疲劳[M].北京：机械工业出版社，1988，11.
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[5] 严隽耄.车辆工程（第二版）[M].北京：中国铁道出版社，2003.
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