高速列车铝焊车体焊缝疲劳分析
发布时间：2021-02-16 02:23
随着我国轨道交通技术的大发展,近年来各类型号的动车组不断下线,经统计绝大多数的客车车体都是采用铝合金型材经初步机加工后焊接形成的铝焊车体,制作车体的这种铝合金型材为中空挤压形成,有着强度高、质量轻、易加工等优良性质,制成的车体对比于传统碳钢车体有着焊缝数量少、重量轻、气密性好、工艺简单等优势。但是即便如此对焊接接头疲劳寿命评估一直是一个绕不过去的问题,相关机构都在不断探索合适的评估方法。基于此本文将围绕以下的内容进行开展:总结归纳了焊接接头疲劳与金属疲劳的差异性,阐述了焊接接头评估过程中的特殊点。对比几种评估焊接疲劳寿命的体系得出:在名义应力法体系下会出现实际焊接接头类型很难与相关标准上已有接头类型相贴合的问题;等效结构应力法能够实现应力对网格的不敏感性,克服名义应力法中存在的弊端。文中对某型动车组头车车体进行有限元模型建立,按照要求设置边界条件和工况,考察该车体在10个静强度工况下的表现情况,又计算车体的自由模态,综合两部分结果整体分析车体结构特性,为后续焊缝的选取提供支持。参考静强度、自由模态和疲劳静强度的计算结果,在该车体上选取10条评估焊缝,首先采用主S-N曲线法对10条焊缝进...
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１熔焊焊缝失效模式
第二章焊接接头疲劳的成因以及评估特殊性???２．２．２焊接接头疲劳Ｓ－Ｎ曲线具有相同斜率??对比多种金属材料焊接接头的Ｓ－Ｎ曲线发现，不同参数的金属材料试件的Ｓ－Ｎ曲线??的斜率几乎都互不相同［３９】，可是焊接接头的Ｓ－Ｎ曲线的斜率却大致一样。见图２．３中上??方给出两种金属试件，其中一个是光滑试件而另一个是有缺口的试件；下方给出的是两??种不同性质的焊接接头试件。在ＢＳ?７６０８标准和〖ＩＷ标准中分别给出了一大批不同焊接??接头的Ｓ－Ｎ曲线，虽然他们对应的焊接接头的形状和作用载荷互不相同，但是他们对应??的Ｓ－Ｎ曲线的斜率却基本上一致。??４００?－??３００?＂?＇?—ＣＺｑ－ｎ職件??＆?？??ｓ?１００?＿?Ｖ?Ｖ??＾?ＳＯ?－?Ｒ＝０?，?相？件??％?ｒ．．．．．．Ｊｒｚｘ．．．．．．??？３０?５０?达结构讲?、、＇、?■?ｆ?—??Ｊ?■?，?＞—■??！０？?１０？?１０＾?１０＊??？劳寿俞（播环??图２．３焊接接头Ｓ－Ｎ曲线斜率特性??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｌｏｐｅ?ｏｆ?Ｓ－Ｎ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｗｅｌｄｅｄ?ｊｏｉｎｔ??２．２．３残余应力对焊接接头寿命的影响??焊接过程伴随着非常复杂的热物理过程，焊缝冷却之后在焊缝上会残留着高达材料??屈服极限的残余应力。本质上残余应力的产生是因为焊缝附近材料的热胀冷缩导致的，??也就是说残余应力是由位移变化引起的【４Ｑ】，而疲劳应力是在外载荷的作用下产生的。伴??随着焊缝上的裂纹不断扩大，之前引起残余应力的位移在不断改变，因此残余应力在急??剧下降，所以认为残余应力的存在对焊缝的疲劳寿命的影响并不是主要原因??在
保证外推点处的结果??准确，从单元第一个积分点到焊趾的距离应该小于焊接板材板厚的０．４倍；??（４）最大单元和最小单元的尺寸比值不应该大于３；??（５）单元网格尺寸变化应该逐渐变化，以免使得网格不协调，致使应力集中；??（６）计算得到的应力是平面或者板壳的表面应力。??ＩＩＷ标准给出了?Ａ类和Ｂ类热点应力法的计算公式。Ａ类公式中焊趾位于立板的根??部和母材的表面，应力应垂直于焊缝；Ｂ类公式中焊趾位于立板的表面边缘处，应力垂??直于焊缝，而沿着立板的焊缝方向的应力平行于焊缝１４６］。图２．４给出两类公式中外推点??位置示意图。??〇．４ｔ０．６ｔ?，?ｊ?０．４ｔ?０，５ｔ?０．５ｔ??ｉ?ｉＪ?Ｉ?Ｕ??图２．４外推点位置示意图??Ｆｉｇ．?２．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ?ｐｏｉｎｔｓ??热点应力法Ｓ－Ｎ曲线数学解析式见式（２．４）。式中为应力范围，＃为循环次数，??ｍ为双对数坐标下Ｓ－Ｎ曲线的斜率的反向斜率，ｌｇＣｄ为双对数坐标下Ｓ－Ｎ曲线在丨ｇＮ轴??上的截距。ｌｇＣｄ由式（２．５）得出，其中Ｊ为置信度为５０％的Ｓ－Ｎ曲线参数，Ｓ为丨ｇＮ的??标准方差。??ＩｇＮ?＝?ｌｇＣｄ?—?ｍｌｇＡａ?（２．４）??ｌｇＣｄ?＝?ＩｇＡ?－?２Ｓ?（２．５）??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接结构疲劳寿命评估方法研究[J]. 王文华. 黑龙江科技信息. 2016(30)
[2]基于主S-N曲线法的地铁制动箱焊接疲劳分析[J]. 孙权,陈秉智. 计算机辅助工程. 2016(03)
[3]铝合金应用于起重机械关键技术研究[J]. 吴亢. 化工管理. 2015(21)
[4]基于模态叠加法的焊接结构疲劳寿命预测方法研究[J]. 方吉,兆文忠,朴明伟. 振动与冲击. 2015(05)
[5]振动环境下焊缝疲劳寿命的预测及分析[J]. 张凤,李健,李鹤. 机械设计与制造. 2014(11)
[6]铁道车辆上应用铝合金的探讨[J]. 封锐杰. 硅谷. 2013(19)
[7]中国铁路运输需求规模探析[J]. 郭文伟,陈妍玲. 经济问题探索. 2011(10)
[8]船体总段对接焊缝结构疲劳寿命分析评估[J]. 罗瑞锋,唐文勇,宋友良. 舰船科学技术. 2009(06)
[9]提速战略对我国铁路运输发展的带动作用[J]. 彭其渊,文超,闫海峰. 西南交通大学学报. 2008(06)
[10]半椭圆表面裂纹张开位移的一种近似法[J]. 邹广平,周铮,唱忠良. 强度与环境. 2006(04)
博士论文
[1]TiZr基合金组织调控及疲劳行为研究[D]. 岳赟.燕山大学 2017
[2]铝镁系合金强韧性能及焊接性能研究[D]. 张金旺.太原理工大学 2009
[3]大型FPSO船舶结构疲劳寿命预报方法研究[D]. 吴晓源.上海交通大学 2008
[4]导管架平台损伤检测及疲劳寿命研究[D]. 李东升.上海交通大学 2006
[5]冲击载荷下疲劳损伤力学及锻锤基础的疲劳损伤分析[D]. 任廷鸿.浙江大学 2006
硕士论文
[1]MB8变形镁合金母材及焊接接头超高周疲劳性能研究[D]. 邓海鹏.华东交通大学 2017
[2]基于结构应力的高速列车铝合金焊接车体疲劳寿命预测方法研究[D]. 向鹏霖.西南交通大学 2017
[3]大跨度悬索桥正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究[D]. 曾泽润.重庆大学 2017
[4]基于等效结构应力法的钢吊车梁焊缝疲劳分析[D]. 张新萍.江苏科技大学 2016
[5]基于ASME标准的机车车辆铝合金车体疲劳强度研究[D]. 刘天生.西南交通大学 2015
[6]在役螺栓球节点网架用M30高强度螺栓的疲劳性能分析与试验验证[D]. 王培鹏.太原理工大学 2015
[7]轿车转向节载荷谱提取及疲劳寿命预测[D]. 武振江.河北工程大学 2014
[8]典型圆管及圆管—方管相贯节点疲劳特性研究[D]. 周良.天津大学 2014
[9]掘进台车推进拐臂的仿真分析和安全性维修[D]. 王东.西安电子科技大学 2014
[10]改进疲劳损伤模型与基于P-S-N的疲劳可靠性研究[D]. 翟银秀.湖南大学 2014
本文编号：3035975
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１熔焊焊缝失效模式
第二章焊接接头疲劳的成因以及评估特殊性???２．２．２焊接接头疲劳Ｓ－Ｎ曲线具有相同斜率??对比多种金属材料焊接接头的Ｓ－Ｎ曲线发现，不同参数的金属材料试件的Ｓ－Ｎ曲线??的斜率几乎都互不相同［３９】，可是焊接接头的Ｓ－Ｎ曲线的斜率却大致一样。见图２．３中上??方给出两种金属试件，其中一个是光滑试件而另一个是有缺口的试件；下方给出的是两??种不同性质的焊接接头试件。在ＢＳ?７６０８标准和〖ＩＷ标准中分别给出了一大批不同焊接??接头的Ｓ－Ｎ曲线，虽然他们对应的焊接接头的形状和作用载荷互不相同，但是他们对应??的Ｓ－Ｎ曲线的斜率却基本上一致。??４００?－??３００?＂?＇?—ＣＺｑ－ｎ職件??＆?？??ｓ?１００?＿?Ｖ?Ｖ??＾?ＳＯ?－?Ｒ＝０?，?相？件??％?ｒ．．．．．．Ｊｒｚｘ．．．．．．??？３０?５０?达结构讲?、、＇、?■?ｆ?—??Ｊ?■?，?＞—■??！０？?１０？?１０＾?１０＊??？劳寿俞（播环??图２．３焊接接头Ｓ－Ｎ曲线斜率特性??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｌｏｐｅ?ｏｆ?Ｓ－Ｎ?ｃｕｒｖｅ?ｏｆ?ｗｅｌｄｅｄ?ｊｏｉｎｔ??２．２．３残余应力对焊接接头寿命的影响??焊接过程伴随着非常复杂的热物理过程，焊缝冷却之后在焊缝上会残留着高达材料??屈服极限的残余应力。本质上残余应力的产生是因为焊缝附近材料的热胀冷缩导致的，??也就是说残余应力是由位移变化引起的【４Ｑ】，而疲劳应力是在外载荷的作用下产生的。伴??随着焊缝上的裂纹不断扩大，之前引起残余应力的位移在不断改变，因此残余应力在急??剧下降，所以认为残余应力的存在对焊缝的疲劳寿命的影响并不是主要原因??在
保证外推点处的结果??准确，从单元第一个积分点到焊趾的距离应该小于焊接板材板厚的０．４倍；??（４）最大单元和最小单元的尺寸比值不应该大于３；??（５）单元网格尺寸变化应该逐渐变化，以免使得网格不协调，致使应力集中；??（６）计算得到的应力是平面或者板壳的表面应力。??ＩＩＷ标准给出了?Ａ类和Ｂ类热点应力法的计算公式。Ａ类公式中焊趾位于立板的根??部和母材的表面，应力应垂直于焊缝；Ｂ类公式中焊趾位于立板的表面边缘处，应力垂??直于焊缝，而沿着立板的焊缝方向的应力平行于焊缝１４６］。图２．４给出两类公式中外推点??位置示意图。??〇．４ｔ０．６ｔ?，?ｊ?０．４ｔ?０，５ｔ?０．５ｔ??ｉ?ｉＪ?Ｉ?Ｕ??图２．４外推点位置示意图??Ｆｉｇ．?２．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｏｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ?ｐｏｉｎｔｓ??热点应力法Ｓ－Ｎ曲线数学解析式见式（２．４）。式中为应力范围，＃为循环次数，??ｍ为双对数坐标下Ｓ－Ｎ曲线的斜率的反向斜率，ｌｇＣｄ为双对数坐标下Ｓ－Ｎ曲线在丨ｇＮ轴??上的截距。ｌｇＣｄ由式（２．５）得出，其中Ｊ为置信度为５０％的Ｓ－Ｎ曲线参数，Ｓ为丨ｇＮ的??标准方差。??ＩｇＮ?＝?ｌｇＣｄ?—?ｍｌｇＡａ?（２．４）??ｌｇＣｄ?＝?ＩｇＡ?－?２Ｓ?（２．５）??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]焊接结构疲劳寿命评估方法研究[J]. 王文华. 黑龙江科技信息. 2016(30)
[2]基于主S-N曲线法的地铁制动箱焊接疲劳分析[J]. 孙权,陈秉智. 计算机辅助工程. 2016(03)
[3]铝合金应用于起重机械关键技术研究[J]. 吴亢. 化工管理. 2015(21)
[4]基于模态叠加法的焊接结构疲劳寿命预测方法研究[J]. 方吉,兆文忠,朴明伟. 振动与冲击. 2015(05)
[5]振动环境下焊缝疲劳寿命的预测及分析[J]. 张凤,李健,李鹤. 机械设计与制造. 2014(11)
[6]铁道车辆上应用铝合金的探讨[J]. 封锐杰. 硅谷. 2013(19)
[7]中国铁路运输需求规模探析[J]. 郭文伟,陈妍玲. 经济问题探索. 2011(10)
[8]船体总段对接焊缝结构疲劳寿命分析评估[J]. 罗瑞锋,唐文勇,宋友良. 舰船科学技术. 2009(06)
[9]提速战略对我国铁路运输发展的带动作用[J]. 彭其渊,文超,闫海峰. 西南交通大学学报. 2008(06)
[10]半椭圆表面裂纹张开位移的一种近似法[J]. 邹广平,周铮,唱忠良. 强度与环境. 2006(04)
博士论文
[1]TiZr基合金组织调控及疲劳行为研究[D]. 岳赟.燕山大学 2017
[2]铝镁系合金强韧性能及焊接性能研究[D]. 张金旺.太原理工大学 2009
[3]大型FPSO船舶结构疲劳寿命预报方法研究[D]. 吴晓源.上海交通大学 2008
[4]导管架平台损伤检测及疲劳寿命研究[D]. 李东升.上海交通大学 2006
[5]冲击载荷下疲劳损伤力学及锻锤基础的疲劳损伤分析[D]. 任廷鸿.浙江大学 2006
硕士论文
[1]MB8变形镁合金母材及焊接接头超高周疲劳性能研究[D]. 邓海鹏.华东交通大学 2017
[2]基于结构应力的高速列车铝合金焊接车体疲劳寿命预测方法研究[D]. 向鹏霖.西南交通大学 2017
[3]大跨度悬索桥正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究[D]. 曾泽润.重庆大学 2017
[4]基于等效结构应力法的钢吊车梁焊缝疲劳分析[D]. 张新萍.江苏科技大学 2016
[5]基于ASME标准的机车车辆铝合金车体疲劳强度研究[D]. 刘天生.西南交通大学 2015
[6]在役螺栓球节点网架用M30高强度螺栓的疲劳性能分析与试验验证[D]. 王培鹏.太原理工大学 2015
[7]轿车转向节载荷谱提取及疲劳寿命预测[D]. 武振江.河北工程大学 2014
[8]典型圆管及圆管—方管相贯节点疲劳特性研究[D]. 周良.天津大学 2014
[9]掘进台车推进拐臂的仿真分析和安全性维修[D]. 王东.西安电子科技大学 2014
[10]改进疲劳损伤模型与基于P-S-N的疲劳可靠性研究[D]. 翟银秀.湖南大学 2014
本文编号：3035975
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