探究客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)接頭焊縫間距的疲勞分析

肖以順 劉合峰 馮正明

摘 要：客車在使用過程中，運(yùn)行的安全性是人們最為關(guān)注的內(nèi)容，同時(shí)也是保證交通運(yùn)輸?shù)闹匾蛩亍６蛙嚬羌艿慕宇^焊縫，對(duì)客車的使用質(zhì)量具有重要影響。文章通過對(duì)客車側(cè)圍結(jié)構(gòu)接頭局部模型進(jìn)行分析，提供了多種焊縫間距的疲勞性能對(duì)比結(jié)果，對(duì)焊縫間距和疲勞之間的關(guān)系進(jìn)行了初步的分析判斷。

關(guān)鍵詞：客車骨架;焊縫間距;疲勞

中圖分類號(hào)：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-124-03

Exploring the Fatigue Analysis of the Weld Spacing of the Side Joint Structureof Passenger Cars

Xiao Yishun， Liu Hefeng， Feng Zhengming

（?Zhongtong Bus Co.， Ltd.，?Shandong Liaocheng?252000?）

Abstract：?During the use of passenger cars， the safety of operation is the most concerned content of people， and it is also an important factor to ensure transportation. The joint weld of the passenger car skeleton has an important influence on the quality of the passenger car. In this paper， the local model of the side joint structure of passenger car is analyzed， and the fatigue performance comparison results of various weld spacings are provided. The relationship between weld spacing and fatigue is analyzed and judged.

Keywords： Passenger car skeleton; Weld spacing; Fatigue

CLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-124-03

前言

疲勞失效在汽車零件中是比較常見的一種文體，客車作為一種高性能運(yùn)轉(zhuǎn)的交通工具，其在使用過程中受到的振動(dòng)和沖擊較為頻繁，易出現(xiàn)疲勞損壞文體，而在進(jìn)行客車車身的設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過有限元的疲勞CAE對(duì)不同零件的疲勞進(jìn)行確認(rèn)，最大程度上避免零件的不合理壽命分布。而對(duì)于骨架上的焊接接頭，其數(shù)量是非常多的，一方面是由于客車的車型結(jié)構(gòu)，另外則是當(dāng)前的工藝還達(dá)不到一體化的客車結(jié)構(gòu)制造。而骨架上的焊接焊縫間距，其是影響客車疲勞性能的重要因素之一。

1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞原因及現(xiàn)狀分析

對(duì)于焊接工藝，其最早出現(xiàn)在20世紀(jì)初期，隨著該技術(shù)的不斷研究深入，其已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中的重要施工技術(shù)之一，目前，焊接工藝被廣泛應(yīng)用在造船、鐵路和汽車等領(lǐng)域，起到了非常重要的作用。而疲勞損壞一直都是焊接工藝的弊病之一，由于材料結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的疲勞裂紋，很容易使汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的損傷，從而影響其安全使用。

對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效，其主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：首先，焊接接頭在靜承載能力上一點(diǎn)也不屬于母材，但在動(dòng)態(tài)承載過程中，由于焊接接頭和焊接形式的影響，使得其在使用過程中容易出現(xiàn)過早失效問題;然后，對(duì)于早期的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要是為了滿足靜態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)焊接的疲勞失效重視程度不足，造成很多焊接結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)并不完善，甚至完全沒有，這就使得早期的客車骨架結(jié)構(gòu)在使用過程中容易出現(xiàn)焊接接頭位置疲勞問題;另外，對(duì)于早期的焊接設(shè)計(jì)人員，其對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能了解不足，在進(jìn)行焊接設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)照搬其他金屬材料的疲勞性能，從而使得早期的客車在使用過程中非常容易出現(xiàn)骨架焊接結(jié)構(gòu)異常問題，影響其正常使用。^[1]伴隨著客車的結(jié)構(gòu)不斷改變，其在人們生活中的使用頻率也在逐漸增加，人們對(duì)客車的安全性能重視程度不斷提高，從而對(duì)客車的焊接質(zhì)量重視程度也在逐漸增加。

2 不同焊縫間距對(duì)疲勞的影響研究

對(duì)于客車來說，其骨架是整個(gè)車身的承載構(gòu)件，同時(shí)為了能夠更好的提升承載能力，往往需要在客車的骨架側(cè)圍設(shè)置一些斜撐，這樣來提升客車的整體承載標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的焊接工藝，在進(jìn)行焊接時(shí)需要將焊縫和立柱焊縫之間預(yù)留一定的空隙，這樣才能夠保證焊縫的結(jié)構(gòu)性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

為了能夠更好的提升研究效率，在本文中選擇了客車側(cè)圍的一個(gè)局部結(jié)構(gòu)，通過對(duì)不同焊縫間距進(jìn)行分析，了解焊縫間距對(duì)整個(gè)骨架疲勞的影響。根據(jù)客車的骨架結(jié)構(gòu)設(shè)立對(duì)應(yīng)的有限元分析模型，選取其中的研究位置進(jìn)行重點(diǎn)研究和建模分析，確認(rèn)其影響參數(shù)和可能的影響數(shù)據(jù)。

2.1 研究模型的提取

為了能夠通過模型更加準(zhǔn)確的反應(yīng)客車的骨架情況，本文從客車的車身側(cè)圍上選取了一段局部結(jié)構(gòu)，通過對(duì)這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)，建立了對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)化模型，模型的長(zhǎng)度控制在3400mm，高度設(shè)定在680mm一下，模型材料選擇的是20#鋼，通過數(shù)據(jù)調(diào)查得知，該材料的彈性模量E=2.06×10¹¹Pa，泊松比數(shù)據(jù)為0.3通過模型能夠更加直觀的了解客車骨架局部材料的應(yīng)力情況，通過梁-殼混合模型來對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行構(gòu)建，通過殼單元對(duì)結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于這一部分的精度相對(duì)較高，單元格的劃分是以2mm作為單位;而對(duì)于接頭意外的位置，其是通過100m的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分的。在本次研究工作中，焊縫間距設(shè)定數(shù)值為5/7.5/10/20/30和40mm，不同的焊縫間距分別繪制成對(duì)應(yīng)的CAE模型，這樣能夠更加方便觀察不同焊縫間距下的客車骨架疲勞情況。^[2]

2.2 應(yīng)力分析

通過對(duì)當(dāng)前的客車應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)查，本文主要選擇了當(dāng)前比較常見的6種模型，并對(duì)其進(jìn)行彎曲應(yīng)力的對(duì)比分析。將模型的左端進(jìn)行完全的固定，然后在Z方向上施加1000N 的力，從而使模型結(jié)構(gòu)能夠在XZ平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形。對(duì)于不同焊縫間距的模型分別進(jìn)行彎曲測(cè)試，能夠得到不同焊縫間距下的模型接頭應(yīng)力分部須情況，將其繪制成對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-間距曲線圖，分析焊縫對(duì)應(yīng)力的影響。

通過上圖可以發(fā)現(xiàn)，最大的應(yīng)力處于斜撐和立柱之間的縫隙位置，通過對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)焊縫間距為5mm時(shí)，焊縫位置處的應(yīng)力最大，可以達(dá)到42.9MPa，而當(dāng)焊縫間距在7.5mm時(shí)，應(yīng)力的水平最低，最大應(yīng)力大概為24.6 MPa。通過數(shù)據(jù)對(duì)比和圖形觀察可以發(fā)現(xiàn)，焊縫間距和應(yīng)力之間存在著一定的比例關(guān)系，當(dāng)焊縫間距在7.5mm以下時(shí)，其應(yīng)力隨著焊縫得到變化而呈現(xiàn)較大的變化趨勢(shì)，而當(dāng)焊縫間距超過約8mm時(shí)，其變化趨勢(shì)相對(duì)減小。

2.3 不同焊縫間距模型的疲勞分析

通過對(duì)不同模型的疲勞壽命差距影響分析，可以確認(rèn)到不同焊縫間距對(duì)疲勞的影響效果。由于客車骨架結(jié)構(gòu)的疲勞無法通過數(shù)據(jù)直接進(jìn)行展示，只能通過焊縫連接位置處的應(yīng)力變化情況來側(cè)面反映焊縫間距對(duì)疲勞的影響。結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)力分析結(jié)果和分析軟件，建立對(duì)應(yīng)的對(duì)稱循環(huán)荷載曲線，從而方便研究人員對(duì)疲勞壽命進(jìn)行更加準(zhǔn)確的計(jì)算。但對(duì)于本次研究的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其中的7.5mm和10mm的焊縫間距得到的數(shù)據(jù)為無限壽命，因此，這一計(jì)算仍然存在著一定的不足。為了能夠更好的突出焊縫間距對(duì)疲勞壽命的影響，本文對(duì)荷載系數(shù)進(jìn)行了增加，從而能夠更加方便的計(jì)算出客車骨架的疲勞壽命受到的影響。通過對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，不同模型的疲勞壽命分布規(guī)律是相同的，且最小壽命值基本上都出現(xiàn)在立柱和斜撐的縫隙位置處，這表明壽命的最小值和焊縫間距之間具有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。^[3]

通過對(duì)荷載增加前后的壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同模型的最小壽命之間相差非常大，這表明隨著荷載系數(shù)的增加，不同的焊縫間距對(duì)壽命的影響逐漸增加，且增加的比例較大。將對(duì)應(yīng)的疲勞壽命曲線和應(yīng)力曲線匯整到一起觀察，可以發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)一種反向變化，在應(yīng)力最大的情況時(shí)，模型的最小壽命也最小。

3 骨架接頭位置焊縫改善措施

在客車骨架的焊縫位置處，應(yīng)力是造成疲勞問題的主要影響因素，如何調(diào)整應(yīng)力是當(dāng)前對(duì)提升客車疲勞性能的重要措施。首先是預(yù)過載法，這種方法指的是通過含有應(yīng)力集中的試樣進(jìn)行拉伸荷載，指導(dǎo)其缺口的位置處出現(xiàn)了一定的拉伸塑性變形，在卸載之后，其缺口位置及其周圍的壓縮應(yīng)力也會(huì)得到一定的提升。

而受到這一試樣的影響，在后續(xù)的疲勞測(cè)試中，其應(yīng)力范圍也會(huì)發(fā)生明顯的減少，從而提升焊接接頭位置處的疲勞強(qiáng)度。然后是局部加熱方法，這一方法是通過局部的加熱處理來對(duì)焊接位置及其周圍殘留的應(yīng)力進(jìn)行消除，通過對(duì)周圍的應(yīng)力進(jìn)行集中的壓縮，能夠調(diào)整接頭位置處的疲勞強(qiáng)度，對(duì)于這種方法，其在當(dāng)前僅僅應(yīng)用于縱向非連續(xù)焊縫施工中。而對(duì)于單面的角接板，加熱的位置是固定的，而對(duì)于雙面角接班，其需要選擇板件的重心，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮應(yīng)力的效果。

4 總結(jié)

對(duì)于客車骨架接頭焊縫間距，其對(duì)焊接位置的疲勞性能具有直接的影響，且焊縫間距的影響呈現(xiàn)一種二元曲線的效果，在最低點(diǎn)時(shí)才能夠保證焊接位置處的疲勞性能最佳。在進(jìn)行客車骨架接頭焊縫設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)不同的材質(zhì)和荷載選擇最佳的焊縫，這樣才能夠保證客車骨架的使用質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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