基于均方差应力修匀的大横梁焊缝疲劳损伤评估
刘文飞1， 刘志明1， 许昶1， 祁晨宇2
【摘 要】针对C80E型通用敞车车体大横梁焊缝在运用过程中出现的疲劳裂纹问题，本文提出了一种基于均方差加权应力修匀的疲劳损伤评估方法。根据车体结构对称性，建立了1/4车体模型并进行有限元仿真，采用均方差加权应力修匀法对大横梁焊缝结点应力进行修匀；分别计算修匀后的应力值与结点应力均值、最大值在大秦线实测载荷谱下的疲劳损伤，并与实测线路应力谱对应的疲劳损伤进行对比分析。结果表明：经均方差应力修匀对应的疲劳损伤与实测损伤基本一致；与传统采用的均方差应力修匀方法获取的结点应力方法相比，结点应力均值或最大值精度更高，可提高结构疲劳损伤评估的准确性，且该方法简单，便于应用。
【期刊名称】哈尔滨工程大学学报 【年(卷),期】2024(040)005 【总页数】7
【关键词】敞车； 焊缝； 应力修匀； 结点应力； 均方差加权； 疲劳损伤； 疲劳寿命； 有限元； 高斯积分点 网
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http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20241220.1630.022.html 网络出版日期：2024-12-21.
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB1200501-008);国家重点研发计划项目(2016YFB1200602-07).
C80E型通用敞车是我国铁路货车第4次升级换代的代表车型，该车于2014年
批量生产5 000辆在大秦线投入运用，经过2 a的运行考验后，在车体分解检查时发现部分车体在大横梁上盖板与地板焊缝连接处出现了疲劳裂纹，并结合现场调研可知，在该焊缝连接处出现裂纹的车辆颇多，属于批量性裂纹，说明产生裂纹的根本原因为车体局部结构设计不合理。目前我国对铁路货车车体的焊接接头疲劳强度评估主要参照北美铁路协会的AAR标准、国际焊接学会的IIW标准，以及英国的BS标准[1-3]。在对C80E型敞车的车体设计合理性验证时，分别参照以上标准对该焊缝进行了疲劳寿命评估，计算结果均符合625万km的寿命要求，但实际仅运用40万km已出现批量性疲劳裂纹，二者相差甚大。目前，对焊接结构件疲劳强度评估主要从产品的设计、工艺、制造、材料等方面进行评定，并通过相关试验进行验证[4-8]。车体静强度仿真提取的结点应力是疲劳寿命评估的输入，应力提取的精度直接影响疲劳强度评估的准确性。C80E型敞车车体疲劳寿命仿真结果与实际运用情况相差甚远，说明出现该现象的根本原因不是疲劳评定方法准确性的问题，而是对车体疲劳强度评估时在焊缝连接处提取的应力精度较差。
铁路货车车体属于薄板结构，在有限元分析时一般采用板壳单元对整车模型进行结构离散，后处理时为了克服结点上应力不连续的缺点，常采用结点周围几个单元的应力平均值作为结点应力，文献[9]指出在材料不同或厚度突变时不能以单元应力平均值作为结点应力，而焊缝连接处的板厚往往是突变的，但在有限元仿真计算的后处理分析过程中往往忽略了这一点。本文针对C80E型通用敞车车体疲劳寿命仿真结果与实际使用寿命相差较大的问题，提出了一种基于均方差加权应力修匀的疲劳损伤评估方法。根据1/4车体模型进行了静强度仿真结果，对比分析了网格大小对结点应力精度的影响，并对关键结点进行了均
方差应力修匀；结合车体大横梁焊缝裂纹统计分析结果，提取大横梁焊缝在内补强座周围的结点应力最大值、均值、修匀值，计算了3种情况下各结点的应力损伤，并与实测损伤进行了对比分析。
1 基于均方差加权的应力修匀方法
车体静强度仿真分析是对结构设计合理性的初始验证，同时也是模态、屈曲、疲劳等仿真分析的基础，因此提高静强度仿真结果应力解的精度，尤其是结点应力的精度具有较强的工程意义。目前改善有限元应力解的研究主要集中在2个方面：一方面为网格划分技术[10-11]，目前的有限元分析软件均提供了较为全面的网格划分技术，选用合适的网格大小与单元类型基本可满足车体有限元仿真的要求，因此本文对网格划分技术不进行深入分析研究；另一方面为应力修匀技术[12-14]，沿着单元边界的位移是连续的，但位移的导数往往是不连续的，所以在单元边界上的应力也是不连续的[9]，而工程实际应用中通常感兴趣的是边缘和结点上的应力，因此需对结点应力进行修匀，但不同的应力修匀方法对修匀后的结点应力精度影响较大。本文根据围绕结点的单元应力离散性的特点，提出了基于均方差加权的应力修匀方法。 1.1 单元的最佳应力点
弹性力学有限元的求解方程是通过最小势能原理建立的，近似解的位移u、应变ε、应力σ分别为：
u=u*+δu*，ε=ε*+δε*，σ=σ*+δσ* (1)
式中：u*、ε*、σ*分别为位移、应变、应力的精确解。 与近似解相对应的总势能为：
基于均方差应力修匀的大横梁焊缝疲劳损伤评估
