車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中焊縫布置的藝術(shù)

高曉霞，孫暉東，張 明，米莉艷，伊召鋒

（唐山機(jī)車車輛有限公司 1.高級工程師 2.工程師 河北 唐山 063035）

在車體結(jié)構(gòu)中，不可避免的存在應(yīng)力集中區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域。對于車體強(qiáng)度而言，母材的許用應(yīng)力要遠(yuǎn)高于焊縫處的許用應(yīng)力。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，連接焊縫要盡量避開應(yīng)力集中區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域［1］［2］。本文通過以下三個(gè)案例論證了在結(jié)構(gòu)變化不大的情況下，合理的焊縫位置能夠保證車體強(qiáng)度要求。

1 某車體牽引梁處

某車車體的牽引梁原結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為圖1的局部放大圖，點(diǎn)E 27試驗(yàn)時(shí)最大應(yīng)力值為134 MPa，超過該處焊縫許用應(yīng)力115 MPa。

原因分析：一是過渡件上圓弧區(qū)較小，該圓弧區(qū)域截面變化較大，是典型的應(yīng)力集中區(qū)域。 二是焊縫布置在圓弧的根部。

圖1 磁浮車車體牽引梁

圖2 牽引梁局部應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域

1.1 現(xiàn)車處理方案 對現(xiàn)車進(jìn)行改造，在改動(dòng)量最小的情況下，提出如下方案：增加有過渡圓弧的C型槽型材（如圖3所示），C型槽與底架型材C型槽對接，局部成為箱型結(jié)構(gòu)，增加了該部位的強(qiáng)度。改造后的現(xiàn)車如圖4所示，點(diǎn)E 57的試驗(yàn)應(yīng)力值最大為89 MPa，滿足了許用應(yīng)力低于115 MPa的要求。

圖3 現(xiàn)車改造方案

圖4 現(xiàn)車改造結(jié)果

1.2 后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn) 針對該區(qū)域應(yīng)力集中的特點(diǎn)，在后續(xù)設(shè)計(jì)中，從兩方面改進(jìn)過渡件結(jié)構(gòu)：加大圓弧半徑使得圓弧區(qū)域截面變化較緩；增加過渡件的長度，避免圓弧根部出現(xiàn)焊縫。圖5給出了現(xiàn)車處理方案和后續(xù)改進(jìn)方案的對比圖。

圖5 牽引梁超標(biāo)區(qū)域改進(jìn)對比

2 某地鐵車體

某地鐵車體門立柱與車頂?shù)倪B接如圖6所示，圖8為圖中紅色區(qū)域內(nèi)的局部放大圖，車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，門立柱與車頂連接焊縫處應(yīng)力最大值為15 4MPa，超過焊縫許用應(yīng)力115 MPa。

原因分析：

1）門角處為高應(yīng)力區(qū)，門立柱與車頂?shù)倪B接焊縫正好位于門角處；

2）門立柱與車頂連接處，立柱結(jié)構(gòu)變化梯度較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

圖6 車體門立柱與車頂?shù)倪B接

圖7 現(xiàn)車局部區(qū)域放大圖

2.1 現(xiàn)車處理方案 對現(xiàn)車進(jìn)行改造，在改動(dòng)量最小的情況下，提出如下方案：增加一與立柱寬度一致的槽型材，型材側(cè)面加工出與車頂邊梁匹配的弧度（如圖8、9所示），該件與車頂邊梁周圈焊接，與門立柱對接。改造后的現(xiàn)車如圖7所示，門立柱與車頂連接焊縫處應(yīng)力值最大為94 MPa，滿足了許用應(yīng)力低于115 MPa的要求。

2.2 后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn) 在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，門立柱加長至車頂邊梁，與車頂邊梁周圈焊接（如圖10所示），避免了現(xiàn)場改造中的焊縫交叉，實(shí)現(xiàn)力的最優(yōu)傳遞。

圖8 改造后車體門立柱與車頂?shù)倪B接

圖9 改造后局部區(qū)域放大圖

圖10 改進(jìn)的設(shè)計(jì)

3 某車體側(cè)墻型材對接焊縫的布置

某車體側(cè)墻由上下側(cè)墻型材與窗間板對接而成，現(xiàn)車模型如圖11所示。車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，圖示紅色區(qū)域下端側(cè)墻型材和窗間板連接焊縫處應(yīng)力最大值為156 MPa，超出該焊縫的許用應(yīng)力115 MPa，不滿足要求。

原因分析：一是窗戶圓弧處為應(yīng)力集中區(qū)域；二是焊縫布置在窗戶圓弧的根部。

圖11 現(xiàn)車模型示意圖

3.1 現(xiàn)車處理方案 對現(xiàn)車進(jìn)行改造，在應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域去除部分材料，同時(shí)焊接一板材加工件與側(cè)墻下端型材和窗間板焊接，如圖12所示，改造后窗戶圓弧處試驗(yàn)應(yīng)力值最大150 MPa，滿足了該處母材許用應(yīng)力215 MPa的要求，增加的焊縫避開了圓弧的高應(yīng)力區(qū)，焊縫處試驗(yàn)應(yīng)力值最大為89 MPa，滿足焊縫許用應(yīng)力115 MPa的要求。

圖12 現(xiàn)車改造示意圖

3.2 后續(xù)設(shè)計(jì)的改進(jìn) 針對該區(qū)域應(yīng)力集中的特點(diǎn)，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，加長側(cè)墻下端型材窗口，

使其與窗間板的連接焊縫避開窗戶圓角，如圖13所示。

圖13 改進(jìn)的設(shè)計(jì)示意圖

4 結(jié)束語

本文通過三個(gè)案例，深入淺出地論述了焊縫如何合理避開車體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)域。在新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，值得借鑒。

［1］嚴(yán)雋耄.車輛工程［M］.高等教育出版社，1991.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.高等教育出版社，1991.