基于ANSYS软件的连杆螺栓应力分析与疲劳寿命研究
李伟伟等
摘要： 为评估某铝合金地铁车辆的疲劳寿命，采用美国ASME标准中的网格不敏感的主SN曲线法对该车焊缝进行疲劳寿命预测.用HyperMesh对车体进行有限元建模，并对焊缝处网格细化；用ANSYS计算焊缝处应力；运用自主开发的FEWeld软件对其进行等效结构应力的计算和疲劳寿命的预测；对疲劳寿命不符合设计要求的结构进行改进和优化，改进后结构的疲劳寿命符合设计要求.网格不敏感的主SN曲线法具有重要工程应用推广价值.
关键词： 地铁； 焊缝建模； 疲劳寿命预测； 有限元； 等效结构应力法； ASME标准； 主SN曲线； 铝合金焊接结构
中图分类号： U270.2；TB115.1文献标志码： B
Abstract： To evaluate the fatigue life of an aluminum subway vehicle， the weld line fatigue life of the vehicle is predicted by the meshinsensitive master SN method in ASME standard of the United States. The finite element model of the car body is built by HyperMesh and the mesh of weld lines is refined； the stress near weld lines is calculated by ANSYS； by the selfdeveloped software FEWeld， the equivalent structural stress is calculated and the fatigue life is calculated； the structures where the fatigue life cannot meet the design requirements are improved and optimized， and the fatigue life of the improved structure meets the design requirements. The meshinsensitive master SN curve method has great promotion value on engineering application.
Key words： subway； weld line modeling； fatigue life prediction； finite element； equivalent stress method； ASME standard； master SN curve； aluminum welded structure
引言
轨道车辆车体由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室等几部分组成，一个合格的车体不仅要满足强度和稳定性的要求，疲劳寿命也是重要指标之一.近几年来，城市轨道疲劳失效事故时有发生，不仅影响旅客安全，还造成经济损失.车体疲劳是一种车体焊接结构发生损伤的过程，在这个过程中，在循环载荷的作用下，即使应力低于材料的屈服极限，车体也会出现疲劳裂纹.一般来说，焊接接头是车体结构发生疲劳破坏的薄弱环节，因此对车体结构进行疲劳评估主要是对焊接接头进行疲劳寿命评估.
随着高速列车和轻轨、地铁的发展，列车的高速化和轻量化等课题越来越受到重视.铝合金材料具有质量轻，屈服强度和抗拉强度高，耐腐蚀，以及加工性能好等优点，逐渐被广泛应用于客车车体.铝合金车体的主要特点包括：（1）大幅降低车体质量，同等条件大约是普通钢质车的30%～35%；（2）铝合金车体由大断面铝合金中空挤压型材整体焊接而成，使由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室等组成的车体能够承受横向、纵向、垂向和扭转等载荷.
本文以某铝合金轨道车辆头车为载体，对其进行有限元建模，参考EN 126631：2010标准[1]，基于ANSYS和自主开发的FEWeld软件，计算车体在对称载荷作用下的疲劳寿命，并比较2种方案的分析结果.结果表明：改进结构使焊缝形状更圆滑，减少应力集中的影响，可以增加车体的疲劳寿命.
1结构应力法
结构应力法，又称主SN曲线法、Verity方法或网格不敏感的结构应力法. [2]该方法是美国新奥尔良大学DONG Pingsha博士基于断裂力学原理及大量焊接疲劳试验发明的计算焊缝疲劳寿命的最新的最准确的方法.该方法采用网格不敏感的结构应力计算方法及其主SN曲线模型，可以相对准确地计算出空间任意走向的焊缝的疲劳寿命. [34]
1.1结构应力
由于焊接接头的疲劳裂纹一般发生在焊趾处，所以研究焊趾处的应力组成极其重要.焊趾处应力由焊接引起的残余应力和远端外力引起的结构应力2部分组成.残余应力在焊缝处为自平衡力，且在结构运行过程中幅值不变，所以对结构疲劳无明显作用，而结构应力因为存在交变作用，所以是产生疲劳破坏的主要因素.[5]厚度为t的板焊趾处的结构应力分布见图1（a），将结构应力简化为弯曲应力σb和膜应力σm，见图1（b）.
结构应力为
1.2等效结构应力
由于焊接结构疲劳裂纹客观存在的特殊性，从力学机理上看，其扩展过程是与材料性能无关的纯力学行为，因此焊接结构的疲劳寿命可以应用断裂力学的理论求解. [6]用裂纹的扩展过程判定结构的疲劳强度. [5]在求解过程中定义一个概念——等效结构应力，其考虑载荷模式、板厚尺寸、焊趾缺口效应和应力集中等对疲劳寿命的影响.此外，传统的疲劳寿命评估方法以名义应力为基本参数，但对于复杂焊接结构，不管是名义应力法还是热点应力法，都存在焊接接头难以分类、SN曲线难以界定的困难.结构应力法以节点力为基本参数[7]，基于节点力的计算结果对网格的敏感性比基于应力计算的低，因此节点力法的结构应力计算可实现对网格的不敏感，即对有限元网格的类型和质量要求低，在这一点上较传统计算方法具有明显优势.
等效结构应力法具有更严格的理论基础.其有2项关键技术：网格不敏感的结构应力计算和等效结构应力的转化.这2项技术使其在疲劳寿命评估方面具有很大优势，例如，分析部位没有严格的有限元网格离散要求、焊趾热点部位的应力计算结果精确可靠，因此疲劳强度评定和寿命预测精度较高.
4结论
通过以上分析，可以得出如下结论：
（1）对原结构进行改进，车体各部位在垂向载荷、纵向载荷和横向载荷这3种工况作用下，疲劳寿命均大于107，表明加宽和圆滑圆角的上盖板刚度得到协调，应力集中得到有效抑制.
（2）在机车车辆焊接结构中，疲劳破坏的原因是应力集中过于严重.在结构设计过程中，千方百计降低各式各样的应力集中是提高其抗疲劳能力、增加疲劳寿命的第一要素.
（3）在产品设计阶段通过有限元法对车体进行疲劳寿命评估，能够及时发现疲劳强度的薄弱部位，是提高产品设计质量的重要环节，为车体设计的进一步改进提供一定参考.
参考文献：
[1]EN 126631：2010Railway applicationsstructural requirements of railway vehicle bodies[S].
[2]周晓坤. 大轴重货车部件强度分析与焊缝疲劳寿命预测[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[3]王立航， 方吉， 马纪军. 铝合金车体疲劳寿命预测新方法及其应用[J]. 大连交通大学学报， 2010， 31（3）： 911.
WANG Lihang， FANG Ji， MA Jijun. Design principle and new method of fatigue life prediction for aluminumalloy carbody[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2010， 31（3）：911.
[4]何兴旺. 铝合金地铁车体性能仿真分析[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[5]芦旭. 基于刚柔耦合的CRH3车体振动疲劳强度分析[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[6]岳译新， 刘永强， 李晓峰. 基于主SN曲线法的地铁车体焊缝疲劳分析[J]. 机车电传动， 2012（5）： 7981.
YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master SN curve method[J]. Electr Drive Locomotives， 2012（5）： 7981.
[7]王剑， 兆文忠. 基于结构应力法的焊接结构优化设计[J]. 大连海事大学学报， 2011， 37（2）： 124126.
WANG Jian， ZHAO Wenzhong. Structural stress method based optimization design of welding structure[J]. J Dalian Maritime Univ， 2011， 37（2）： 124126.
[8]李晓峰， 王宇， 李光， 等. 等效结构应力法在铁路车辆焊接结构中的应用[J]. 大连交通大学学报， 2011， 32（4）： 2023.
LI Xiaofeng ， WANG Yu， LI Guang， et al. Application of equivalent structural stress method in weld structure of railway cars[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（4）： 2023.
[9]刘婷婷， 刘海涛， 陈秉智. 不锈钢点焊地铁车车体结构稳定性分析[J]. 大连交通大学学报， 2013， 34（1）： 69.
LIU Tingting， LIU Haitao， CHEN Bingzhi. Structural stability analysis of weld stainless steel subway car body[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2013， 34（1）： 69.
[10]李娅娜， 蓝志峰. 基于等效结构应力法的电机机座焊接结构疲劳寿命预测[J]. 大连交通大学学报， 2012， 33（3）： 1013.
LI Yana， LAN Zhifeng. Fatigue life prediction of motor base with equivalent structural stress method[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2012， 33（3）： 1013.（编辑于杰）
等效结构应力法具有更严格的理论基础.其有2项关键技术：网格不敏感的结构应力计算和等效结构应力的转化.这2项技术使其在疲劳寿命评估方面具有很大优势，例如，分析部位没有严格的有限元网格离散要求、焊趾热点部位的应力计算结果精确可靠，因此疲劳强度评定和寿命预测精度较高.
4结论
通过以上分析，可以得出如下结论：
（1）对原结构进行改进，车体各部位在垂向载荷、纵向载荷和横向载荷这3种工况作用下，疲劳寿命均大于107，表明加宽和圆滑圆角的上盖板刚度得到协调，应力集中得到有效抑制.
（2）在机车车辆焊接结构中，疲劳破坏的原因是应力集中过于严重.在结构设计过程中，千方百计降低各式各样的应力集中是提高其抗疲劳能力、增加疲劳寿命的第一要素.
（3）在产品设计阶段通过有限元法对车体进行疲劳寿命评估，能够及时发现疲劳强度的薄弱部位，是提高产品设计质量的重要环节，为车体设计的进一步改进提供一定参考.
参考文献：
[1]EN 126631：2010Railway applicationsstructural requirements of railway vehicle bodies[S].
[2]周晓坤. 大轴重货车部件强度分析与焊缝疲劳寿命预测[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[3]王立航， 方吉， 马纪军. 铝合金车体疲劳寿命预测新方法及其应用[J]. 大连交通大学学报， 2010， 31（3）： 911.
WANG Lihang， FANG Ji， MA Jijun. Design principle and new method of fatigue life prediction for aluminumalloy carbody[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2010， 31（3）：911.
[4]何兴旺. 铝合金地铁车体性能仿真分析[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[5]芦旭. 基于刚柔耦合的CRH3车体振动疲劳强度分析[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[6]岳译新， 刘永强， 李晓峰. 基于主SN曲线法的地铁车体焊缝疲劳分析[J]. 机车电传动， 2012（5）： 7981.
YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master SN curve method[J]. Electr Drive Locomotives， 2012（5）： 7981.
[7]王剑， 兆文忠. 基于结构应力法的焊接结构优化设计[J]. 大连海事大学学报， 2011， 37（2）： 124126.
WANG Jian， ZHAO Wenzhong. Structural stress method based optimization design of welding structure[J]. J Dalian Maritime Univ， 2011， 37（2）： 124126.
[8]李晓峰， 王宇， 李光， 等. 等效结构应力法在铁路车辆焊接结构中的应用[J]. 大连交通大学学报， 2011， 32（4）： 2023.
LI Xiaofeng ， WANG Yu， LI Guang， et al. Application of equivalent structural stress method in weld structure of railway cars[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（4）： 2023.
[9]刘婷婷， 刘海涛， 陈秉智. 不锈钢点焊地铁车车体结构稳定性分析[J]. 大连交通大学学报， 2013， 34（1）： 69.
LIU Tingting， LIU Haitao， CHEN Bingzhi. Structural stability analysis of weld stainless steel subway car body[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2013， 34（1）： 69.
[10]李娅娜， 蓝志峰. 基于等效结构应力法的电机机座焊接结构疲劳寿命预测[J]. 大连交通大学学报， 2012， 33（3）： 1013.
LI Yana， LAN Zhifeng. Fatigue life prediction of motor base with equivalent structural stress method[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2012， 33（3）： 1013.（编辑于杰）
等效结构应力法具有更严格的理论基础.其有2项关键技术：网格不敏感的结构应力计算和等效结构应力的转化.这2项技术使其在疲劳寿命评估方面具有很大优势，例如，分析部位没有严格的有限元网格离散要求、焊趾热点部位的应力计算结果精确可靠，因此疲劳强度评定和寿命预测精度较高.
4结论
通过以上分析，可以得出如下结论：
（1）对原结构进行改进，车体各部位在垂向载荷、纵向载荷和横向载荷这3种工况作用下，疲劳寿命均大于107，表明加宽和圆滑圆角的上盖板刚度得到协调，应力集中得到有效抑制.
（2）在机车车辆焊接结构中，疲劳破坏的原因是应力集中过于严重.在结构设计过程中，千方百计降低各式各样的应力集中是提高其抗疲劳能力、增加疲劳寿命的第一要素.
（3）在产品设计阶段通过有限元法对车体进行疲劳寿命评估，能够及时发现疲劳强度的薄弱部位，是提高产品设计质量的重要环节，为车体设计的进一步改进提供一定参考.
参考文献：
[1]EN 126631：2010Railway applicationsstructural requirements of railway vehicle bodies[S].
[2]周晓坤. 大轴重货车部件强度分析与焊缝疲劳寿命预测[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[3]王立航， 方吉， 马纪军. 铝合金车体疲劳寿命预测新方法及其应用[J]. 大连交通大学学报， 2010， 31（3）： 911.
WANG Lihang， FANG Ji， MA Jijun. Design principle and new method of fatigue life prediction for aluminumalloy carbody[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2010， 31（3）：911.
[4]何兴旺. 铝合金地铁车体性能仿真分析[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[5]芦旭. 基于刚柔耦合的CRH3车体振动疲劳强度分析[D]. 大连： 大连交通大学， 2010.
[6]岳译新， 刘永强， 李晓峰. 基于主SN曲线法的地铁车体焊缝疲劳分析[J]. 机车电传动， 2012（5）： 7981.
YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master SN curve method[J]. Electr Drive Locomotives， 2012（5）： 7981.
[7]王剑， 兆文忠. 基于结构应力法的焊接结构优化设计[J]. 大连海事大学学报， 2011， 37（2）： 124126.
WANG Jian， ZHAO Wenzhong. Structural stress method based optimization design of welding structure[J]. J Dalian Maritime Univ， 2011， 37（2）： 124126.
[8]李晓峰， 王宇， 李光， 等. 等效结构应力法在铁路车辆焊接结构中的应用[J]. 大连交通大学学报， 2011， 32（4）： 2023.
LI Xiaofeng ， WANG Yu， LI Guang， et al. Application of equivalent structural stress method in weld structure of railway cars[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2011， 32（4）： 2023.
[9]刘婷婷， 刘海涛， 陈秉智. 不锈钢点焊地铁车车体结构稳定性分析[J]. 大连交通大学学报， 2013， 34（1）： 69.
LIU Tingting， LIU Haitao， CHEN Bingzhi. Structural stability analysis of weld stainless steel subway car body[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2013， 34（1）： 69.
[10]李娅娜， 蓝志峰. 基于等效结构应力法的电机机座焊接结构疲劳寿命预测[J]. 大连交通大学学报， 2012， 33（3）： 1013.
LI Yana， LAN Zhifeng. Fatigue life prediction of motor base with equivalent structural stress method[J]. J Dalian Jiaotong Univ， 2012， 33（3）： 1013.（编辑于杰）
