1、1一种新的焊接构架疲劳分析方法摘要： 为了在多工况下进行焊接构架多轴应力的疲劳强度评估，在直接法和投影法的基础上，将二阶张量坐标变换的性质应用于构架的多轴应力疲劳评估，提出了张量法.该方法将多轴应力转换到同一坐标系和同一截面下，根据获得的最大应力和最小应力进行疲劳评估.以某型转向架焊接构架为例，建立了该构架的有限元模型，计算结构在多工况下的应力，并用直接法、投影法和张量法计算了焊接构架的疲劳强度. 通过临界面法和 Ncode 软件的计算，验证 3 种方法的合理性.结果表明：考虑多轴应力方向的张量法明显优于另外两种方法，与 Ncode 计算结果误差最小，为 4.42%. 关键词： 焊接构架；疲劳
2、分析；主应力准则；多轴应力；张量法 中图分类号： O346.2 文献标志码： AA Novel Fatigue Analysis Method of Welded FramesXIAO Shoune，YANG Chao，YANG Guangwu 焊接构架在转向架中起着极其重要的作用，承受着纵向、横向和垂向的复合载荷，应力分布复杂，构架的疲劳失效对车辆的运行安全性影响极大13.疲劳失效评估准则主要有主应力准则、最大剪应力准则、McDiarmid 准则、BrownMiller 准则和 Dang Van 准则4. 疲劳寿命计算方法包括名义应力法、热点应力法和缺口应力法等56.名义应力法广泛应用于铁路
3、行业，并以主应力准则和 Goodman 曲线作为焊接构架疲劳强度评定的主要依据79.目前对多轴应力转换处理的方法2主要有直接法、投影法和等效应力法.文献10中提出一种基于矢量投影的数据处理方法（投影法） ，详细阐述了其原理和过程.文献11中提出了一种焊接构架疲劳强度评定的工程方法，这种方法跟投影法基本相同，但在最大主应力的选择上有区别.文献12将多工况下的最大和最小应力简化为二维平面应力状态，用等效平均应力和等效应力幅评估构架的疲劳强度. 上述方法都是为了解决主应力在各个工况下，不同方向，将多轴应力转换为单轴应力或等效应力，即多轴应力状态转换.若以结构某点处的微元六面体为对象，主应力则成对出现
4、，且等值反向，这些方法不能完全合理的解决多轴应力转换的问题. 本文以张量原理为理论基础，对某型焊接构架进行疲劳分析，应用应力张量的性质解决了多轴应力状态转换问题.1 构架的疲劳评估方法1.1 直接法根据中国铁路行业标准 TB/T 23682005动力转向架构架强度试验方法 ，制定构架的疲劳载荷工况，利用有限元软件计算出焊接构架在各个载荷工况下的静强度结果.构架的受力情况复杂，应力分布是多轴应力状态，要计算构架上某位置的应力幅和平均应力，需将多轴应力状态等效为单轴应力状态. 直接法就是取各节点（或单元）在所有载荷工况下的主应力值，通过式（1） 、 （2）计算平均应力和应力幅. 5 结束语针对结构
5、在多工况下的多轴应力状态转换问题，以张量原理为基础，提出了张量法.利用直接法、投影法和张量法计算焊接构架的疲劳强度，并对结果进行比较.通过临界面法和 Ncode 的结果进行验证，张3量法的计算结果明显好于另两种方法，与 Ncode 计算结果的最大误差只有 4.42%，其结果更合理，符合工程应用的要求. 参考文献： 1米彩盈. 铁道机车车辆结构强度M. 成都：西南交通大学出版社，2007： 144151. 2王文静，刘志明，李强，等. CRH2 动车转向架构架疲劳强度分析J. 北京交通大学学报，2009，33（1）： 59. WANG Wenjing， LIU Zhiming， LI Qiang
6、， et al. Fatigue strength analysis of CRH2 motor bogie frameJ. Journal of Beijing Jiaotong University， 2009， 33（1）： 59. 3翟二光，刘志明，秦国栋，等. 焊接构架疲劳强度的评估方法J.科学技术与工程，2003，3（4）： 334337. CUI Erguang， LIU Zhiming， QIN Guodong， et al. Fatigue strength evaluation of welded frameJ. Science Technology and Enginee
7、ring， 2003， 3（4）： 334337. 4尚德广，王德俊. 多轴疲劳强度M. 北京：科学出版社，2007： 93106. 5贾倩，程祖国. 基于动应力试验的转向架构架疲劳寿命预测J. 铁道机车车辆，2010，30（4）： 6568. JIA Qian， CHENG Zuguo. A fatigue life prediction of the bogie frame based on dynamic stress testJ. Railway Locomotive & Car， 2010， 30（4）： 6568. 46王剑，王悦东，陈秉智. 焊接结构焊缝疲劳寿命的灵敏度分析J.固
8、体力学学报，2010，31（1）： 281284. WANG Jian， WANG Yuedong， CHEN Bingzhi. Structural stress method based sensitivity analysis of fatigue life evaluation about weld structuresJ. Chinese Journal of Solid Mechanics， 2010， 31（1）： 281284. 7田合强，邬平波，王建斌，等. 焊接构架疲劳强度的有限元分析及评估J. 内燃机车，2008，3（1）： 15. TIAN Heqiang， WU Pi
9、ngbo， WANG Jianbin， et al. Fatigue strength evaluation of welded frane by FEM modelJ. Diesel Locomotives， 2008， 3（1）： 15. 8安琪，李芾，黄运华，等. 基于 JIS 标准的转向架焊接构架疲劳强度评估J. 机车电传动，2009（4）： 2629. AN Qi， LI Fu， HUANG Yunhua， et al. Fatigue strength assessment for bogie welded frame based on JIS standardJ. Electri
10、c Drive for Locomotives， 2009（4）： 2629. 9安琪，李芾，傅茂海. 牵引电机振动对构架疲劳强度的影响J. 西南交通大学学报，2010，45（2）： 209212. AN Qi， LI Fu， FU Maohai. Influences of traction motor vibration on bogie frame fatigue strengthJ. Journal of Southwest Jiaotong University， 2010， 45（2）： 209212. 10ERRI Specialists Committee. B 12 ERRI
11、 B 12/RP 171997 5WagonsS. Utrecht： s. n.， 1997. 11米彩盈，李芾. 焊接转向架构架疲劳强度评定的工程方法J. 内燃机车，2002（6）： 1114. MI Caiying， LI Fu. Engineering method of evaluation fatigue strength for welded bogie frameJ. Diesel Locomotives， 2002（6）： 1114. 12张开林. 基于热点应力法的转向架构架疲劳寿命工程评定方法J. 机车电传动，2004（6）： 810. ZHANG Kailin. Engin
12、eering evaluation method of fatigue life for bogie frame based on hot spot stress methodJ. Electric Drive for Locomotives， 2004（6）： 810. 13王光钦，丁桂保，刘长虹，等. 弹性力学M. 北京：中国铁道出版社，2004： 8799. 14张耀良，朱卫兵. 张量分析及其在连续介质力学中的应用M. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005： 1680. 15International Union of Railways. UIC CODE 61542003 Motive power unitsbogies and running gearbogie frame structure strength testsS. Erstfassung： s. n.， 2003. （中文编辑：秦瑜英文编辑：兰俊思）
