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焊接构架疲劳强度的评估方法

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焊接构架疲劳强度的评估方法 第 3卷 第4期 2100B年 8月 1671.1815(2003)04-0334-05 科 学 技 术 与 工 程 Science Technology and El rIeeriIlg Vo1.3 No.4 August.嬲 @ 2ID0B Sci.Tech. . 焊接构架疲劳强度的评估方法 崔二光 刘志明 秦国栋 缪龙秀 (北方交通大学机电工程学院,北京 lo0o44) 摘要 为适应国际铁路联盟UIC标准中规定用G0 图进行焊接构架的疲劳强度评估,且为 目前我国提速及高 速转向架普遍...
焊接构架疲劳强度的评估方法
第 3卷 第4期 2100B年 8月 1671.1815(2003)04-0334-05 科 学 技 术 与 工 程 Science Technology and El rIeeriIlg Vo1.3 No.4 August.嬲 @ 2ID0B Sci.Tech. . 焊接构架疲劳强度的评估 崔二光 刘志明 秦国栋 缪龙秀 (北方交通大学机电工程学院,北京 lo0o44) 摘要 为适应国际铁路联盟UIC中规定用G0 图进行焊接构架的疲劳强度评估,且为 目前我国提速及高 速转向架普遍采用焊接构架,研究焊接构架疲劳强度评估方法。首先介绍了焊接构架疲劳强度评估的思路以及 (uC)0RE B12委员会确定疲劳强度评估值 的方法;其次提出了基于概率理论 以及疲劳理论的两种确定疲劳强度 评估值的新方法;最后通过实际应用比较,给出了最佳方法。 关键词 焊接构架 疲劳强度 Goodman图 中图法分类号 O346.2;文献标识码 A 随着机车车辆向高速和重载方向发展,各承载构 件的疲劳强度问 日益突出,为此需要制定疲劳强度 的有关评估方法。如北美铁路协会( )对货车铸钢 承载件制定了强制性疲劳试验标准;国际铁路联盟 (uc)则根据焊接结构的特点,制定了用于设计和疲劳 试验的 UIC标准。 国际铁路联盟 UIC标准中规定,进行焊接构架疲 劳强度评估时,采用 2×lo6次疲劳寿命的 Goodman疲 劳极限线图,把构架上大应力测点的应力时间历程中 的最大应力循环(本文称其应力幅值 和应力均值 为疲劳强度评估值)与相应焊接接头的 Goodman疲劳 极限线图进行比较。我国对焊接构架的设计和运用时 间相对较短,在提速、高速车辆转向架的研制过程中, 仍主要采用以安全系数保障强度裕度的定值方法,因 此存在着静强度富裕、疲劳强度不足等问题。因此,研 究随机载荷下焊接构架的疲劳强度评估方法有明确的 工程应用背景。本文首先介绍了焊接构架疲劳强度评 估的思路以及 Goodman疲劳极限线图的制作方法;其 次,提出了基于概率统计以及疲劳累积损伤理论的两 种确定疲劳强度评估值的新方法;最后通过实际应用 比较,给出了最佳方法。 1 疲劳强度评估的一般思路 疲劳强度是焊接结构在实际使用中非常重要的一 项技术指标,疲劳强度评估可以给出新设计的结构或 者在役结构是否满足抗疲劳设计要求。进行结构疲劳 强度评估需要解决两个问题,即结构上的应力水平和 20(13年3月25日收到 博士点专向科研基金(9700o4 )资助 许用疲劳强度。结构上的应力可以通过有限元计算或 实际测试得到,许用疲劳强度则需要通过疲劳试验得 到。 由于或接头的许用疲劳强度是通过指定寿命 下的疲劳试验得到的,因此疲劳强度评估是与寿命相 关的。近年来,随着可靠性理论在疲劳设计中的应用, 疲劳强度标准都带有可靠性指标,其中国际铁路联盟 UIC标准中规定采用 N=2×lO6次的 C,oodn~ 疲劳极 限线图作为焊接构架的疲劳强度标准。 Goodman疲劳极限线图可以将一系列指定疲劳寿 命、可靠度及置信度下的 一、 和 之间的关系用 一 族曲线示。如图 1所示,Goodman疲劳极限线图以 最大应力和最小应力为纵坐标、以平均应力为横坐标。 图中的ABCDE为最大应力线,AFGIHE为最小应力线, 它们所包围的面积表示不破坏的应力范围。 进行疲劳强度评估的 Goodman疲劳极限线图,可 通过以下三个步骤实现 : (1)测试材料的屈服极限和强度极限并给出其分 布规律; (2)得到具有指定存活率 P和指定寿命下的疲劳 极限 P; (3)用具有指定存活率 P下的屈服强度、强度极限 及疲劳极限分别代替 图 1所示 的屈服强度、强度极限 和疲劳极限,就可以得到该存活率和指定寿命下的 Goodman疲劳极限线图。图中C、G点分别表示对称循 环的 一和 ,I点表示脉动循环的应力幅值,E、A 分别表示拉、压屈服极限 O"s,Q表示强度极限 。其余 各点坐标关系为:点 D是直线 cQ与 ),= 的交点,点 H是直线 GI与 =XD的交点,点 F是直线 GI与 ,,= 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 崔二光,等:焊接构架疲劳强度的评估方法 335 一 d 的交点,过 F作垂线交 AE于 P点 ,点 B是点 F关 于点 P的对称点。当指定可靠度 P后,由l~2_/z关系可 得出各点的坐标: A[ ,一 [( 一 )' ( 2aoP一 )]'c[o D【 如, 】,E[a , ], F【 oP,一 】'c[o ] Ⅳ【( 如),( ...’lP)】 在对焊接构架进行疲劳可靠性设计或疲劳强度评 估时,通过有限元计算或线路实测应力时间历程,得到 结构疲劳控制部位各测点的应力幅值 。和应力均值 ,如果它们在 Go0dll】aIl疲劳极限线图界定的范围内, 则结构强度满足安全要求.否则为不安全。 t 口 7b J E D . tQ 。 ,,‘ / i , 2 疲劳强度评估值确定方法 通过试验方法得到疲劳强度评估标准后,进行疲 劳强度评估的另一个关键问题是确定疲劳强度评估 值。转向架构架承受着多个随机载荷的作用,由于该 载荷受到线路、运行速度、转向架结构形式等多方面因 素的影响,因此国外除了在设计阶段采用载荷谱进行 疲劳强度评估外,还要通过线路的动应力测试进行疲 劳强度评估。目前,我国铁路还没有标准的载荷谱,因 此本文重点研究通过线路的动应力测试确定疲劳强度 评估值的方法。由于线路测试所得到的应力时间历程 是一个随机过程,因此必须采用统计的方法来确定动 应力的峰、谷值。 2.1 ORE BI2专业委员会采用的方法 (UIC)ORE B12专业委员会在进行疲劳强度评估 时,采用如下方法⋯:抽取若干长度为 1 km运行区段的 应力时间历程子样,对其进行 0.5 高通滤波后得到 零均值的应力信号,对于这个零均值信号采用穿越计 数法。 为了确定 0.D~和 ,首先要确定应力的近似分 布函数,通过采用中位秩计算应力的近似分布函数:首 先将 1公里区段内的应力时间历程中计数后的应力峰 值作为一个子样,并把它们从小到大依次排列成为顺 序子样,然后构成累计分布图。具体做法为:若子样总 数为 Ⅳ个,则第 i个子样所对应的分布函数值可由下 式估计。 = (1) 为了将特殊环境下的一些独立事件的影响减至最 小,借用正态分布中的±3a概念,即对于一个服从正态 分布的随机变量而言,在排除特殊环境下一些独立事 件的影响时,其取值范围为正负 3倍的标准差。因此, 随机变量的最小值 0.Drain和最大值 0.D一应取对应于其 分布函数的0.135%和99.865%处的值。 盯Dm|n = 盯o .135% (2) 0.D = 0"99 .865% (3) 即:cr0 %为应力统计值中存活率为0.135%时(分布函 数为0.135%)的应力值,o99 .865%为应力统计值中存活率 为99.865%(分布函数为99.865%)的应力值。 厂 99 .865 | O .8 O.6 | f / o .4 O.2 , / O.135 U m 口一 图2 应力分布函数图 维普资讯 http://www.cqvip.com 336 科 学 技 术 与 工 程 3卷 转向架上除了动态应力外还有静态应力,静态应 力包括车体重量产生的静应力以及由于制动、过弯道 等工况产生的准静态应力,因此需要将应力时间历程 进行0.5 高通滤波前的值取平均后作为准静态应 力,然后与落车状态下实测的静应力叠加作为静态应 力 。叫 。 在统计得出动应力的峰、谷值和静应力后,可由下 式得出最大和最小应力。 O'max=O"D +O"sⅢi (4) min= Dmin+ $talic (5) 式中:O"s 为静态应力,O"D一 、 。mi 分别代表了动应力 的最大峰、谷值; 疲劳强度评估值由以下二式给出: O"m : — O'D — m ax _ 4 -tY —Dmin (6) =———— —一 LO, = 专 ( /) =————— ————一 2.2 用外推法确定疲劳强度评估值 对随机应力时间历程进行分析归类、找出其变化 规律的方法称为计数法。疲劳寿命估算的可靠性在很 大程度上取决于应力谱,而应力谱的编制又与所采用 的计数法息息相关。即使是同一应力时间历程,在采 用不同的计数法时编制出的应力谱也会差别很大。上 述的穿越计数法属于单参数计数法,近年来,雨流计数 法尤其是双参数雨流计数法,在国内外被广泛采用,因 此本文在确定疲劳强度评估值时,采用双参数雨流计 数法对实测应力时间历程进行处理。 雨流计数处理前,为了得到车辆运行中构架上各 测点的实际应力状态,应力的测试过程分为两步:第一 步是测量静态应力,即在车体落车前将应变仪调平衡, 落车后采集的数据即为构架各测点的静应力;第二步 是动应力测试,动态应变仪在列车开车前调平衡,车辆 运行时各通道采集的数据即为转向架各测点的动应 力。动、静应力之代数和 = + d 即为各通道对应 测点所承受的实际应力,将这些连续的应力信号写入 输出数据文件,即为各测点的应力时间历程。 一 般随动力学试验测试焊接构架的动应力时,都 是在一个不太长的区段内进行,因此通过雨流计数所 统计出的应力循环累积总数都小于 2 X lo6次。按照 UIC标准的规定,进行焊接构架疲劳强度评估时,采用 2 X lo6次疲劳寿命的Goodman疲劳极限线图。为此,可 以对二维应力谱进行统计推断[ ,由其分布将应力循 环累积总数扩展到 2 X lo6次,将扩展谱中的最大应力 循环作为疲劳强度评估值,称之谓外推法。即 =O'm12x (8) =O'al2x (9) 2.3 采用等损伤原则确定疲劳强度评估值 在疲劳研究过程中,人们早就提出了“损伤”这一 概念。所谓损伤,是指在疲劳初期材料内存在的细微 缺陷及其之后裂纹的形成和扩展。当材料承受循环应 力时,每一个循环都使材料产生一定的损伤,这种损伤 是可以累积的。当损伤累积到临界值时,就发生疲劳 破坏。 对于等幅加载,一般认为每一个循环所造成的平 均损伤为 1/N,N为该载荷下材料破坏前所承受的总 循环数,因而 17,次循环造成的损伤 D=n/N。为了得 到材料损伤累积的规律,人们进行了许多的试验研究。 由于等幅疲劳试验比较简单易行,因此,国内外对各种 材料或构件进行了大量的等幅疲劳试验并且累积了许 多试验数据。如上所述,2 X lo6次疲劳寿命的 Goodman 疲劳极限线图就是通过等幅疲劳试验得到的。 对于变幅和随机加载,其疲劳破坏是不同频率和 幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此,描 述损伤的累积过程,利用常幅加载的试验数据来建立 变幅和随机载荷下的疲劳累积损伤准则是疲劳领域的 重要方面,其中工程上以使用 Miner准则最为广泛和通 用。 在转向架的设计和运用过程中,铁路部门一般是 以列车的运行公里数或使用年限来描述转向架的寿 命,如目前客车的设计使用年限为三十年,以每年50万 公里计算,相当于运行 1500万公里。为此本文提出采 用等损伤原则确定疲劳强度评估值,即首先计算出使 用年限内转向架在随机载荷下的累积损伤值 D,然后 按照疲劳理论中的等损伤原则,推算出等幅加载下循 环数为 N=2 X lo6次造成相同损伤的应力循环,并以 此应力循环作为疲劳强度评估值。具体步骤如下: 由雨流法得到的应力谱和材料的疲劳性能数据, 利用 Goodman方程将实际工作循环应力水平等寿命的 转换为对称循环应力幅值 t7a【3J。 按照累积损伤准则(如 Miner准则),可得到转向架 使用年限内的损伤量 Dl【3J: 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期 崔二光,等:焊接构架疲劳强度的评估方法 337 D : L∑ (10) 采用对称应力循环 进行等幅加载,加载循环 次数 N:2×lO6时造成的损伤 D2的计算公式为: D:: ) 按照等损伤原则,当 Dl=D2时[引,有: ∑ : (12)L l C — C 由式(12)可得出加载循环次数 N=2×lO6次时的应力 循环 d一 为: aeqmax : 【 ∑啦( )m】 (13) 【 厶啦 J Ll_jJ 上式中:£一转向架使用年限期间的运行公里数, 一 实测应力时间历程中转向架的运行公里数,ni~实测 应力谱中等效应力幅值为 对应的应力循环次数, ~ 实测应力谱中动应力的等效应力幅值,m,C~材 料常数,』v=2×lO6。 从式(13)中计算出应力循环 — 对应的应力均 值 d 为0。 3 计算实例 本文以提速转向架构架上某测点在北京.上海区 段往返测试的应力时间历程为例,分别采用上述三种 方法确定疲劳强度评估值。本次测试的单程里程为 1 46 里,在等损伤算法中取转向架设计运行公里数 :1 500万公里,m=4.95。各种算法得到的疲劳强度 评估值见表 1所示,采用可靠度为99%,置信度为95% 的Goodman图进行评估的结果为:ORE方法的疲劳强 度评估值没有超出 Goodman图,外推法和等损伤法的 疲劳强度评估值超出了Goodman图 ]。 表1 三种方法得到的疲劳强度评估值(应力单位:hⅡ'a) 由表 1可见,ORE 方法确定的疲劳强度评估值最 小,等损伤法次之,外推法的最大。 造成疲劳强度评估值不同的原因与三种确定方法 的机理有一定关系:ORE 方法的机理最为简单,相当于 对实测数据进行统计计数。由于实测数据只是整个应 力时间历程的一个样本,不可能完全代表总体,因而疲 劳强度评估值较小。外推法基于统计推断理论,用样 本推断总体进而得到疲劳强度评估值,由于外推法将 总体中的最大应力循环作为疲劳强度评估值,即评估 结构承受最大应力循环加载 N:2×lO6次后是否安 全,同时外推结果的精度很难像内插法那样把握,因而 其评估值一般较大,其评估偏于保守。等损伤法是基 于疲劳累积损伤理论,将转向架在随机载荷下使用年 限内的损伤值,按照等损伤原则,折算到等幅加载下循 环数为 N=2×lO6次造成相同损伤的应力循环。因此 本文建议将等损伤法得到的疲劳强度评估值代入 Goodr咖 疲劳极限线图进行构架疲劳强度评估。 4 结 论 本文重点研究了三种确定焊接构架疲劳强度评估 值的算法,其中,ORE 方法只是统计应力时间历程的一 ~i-d-,样本,不能代表各种线路条件下的动应力特征。 外推法将总体中的最大应力循环作为疲劳强度评估 值,即评估结构承受最大应力循环加载 N=2×l 次 后是否安全,其评估值比较保守。等损伤法是基于疲 劳累积损伤理论,将转向架在随机载荷下使用年限内 的损伤值,按照等损伤原则,折算到等幅加载下循环数 为 N:2×1 次造成相同损伤的应力循环。因此,本 文建议将等损伤法得到的疲劳强度评估值代入 G∞d. n舶 疲劳极限线图进行提速转向架的疲劳强度评估。 {-} 考 文 献 1 C178 Spedalista Committee.An mlaIy8i8ti"日i l丑I8Ie ded SNCF ng tests m the ZT300 b0 e using the PKP metIl0d.ERRI C I?8/DT 269,July 1993 2 徐其瑞,吕澎民,刘志明.转向架应力谱的统计推断方法研究.北方 交通大学学报;19~;22(1):44—5D 3 胨传尧.疲劳与断裂.武汉:华中科技大学出版社,20[12;1:l8一” 4 刘志明.随机载荷下焊接构架疲劳寿命及可靠性研究.北方交通大 学博士学位论文,2001:3 5 刘志明、袁祖贻.随机载荷下高速客车焊接结构疲劳可靠性研究.中 国学术期刊文摘(科技快报),2OOO;6(5):651 (下转第342页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 342 科 学 技 术 与 工 程 3卷 12 Bird~ C K,Lfl~ lon A B.Plasm r,l~ ies via computer simulation . New York:Adam ,1991 13 ParkerSE-LeeW W.Afully nollli~ characteristicmethodforgy,o,~ t- ic Ⅲ蜥 0I1.n,y8 Fluids.1993;5B:77 14 Pr目8 W H,d a/,Num~ eal 1,eeil~ .C -~ llidse IJnivemity.1992 15 蒋伯诚,周振中,常谦顺,等.计算物理中的谱方法一 肿 及其应 用.长沙:湖南科学技术出版社。1969 Particle Simulation Study for the F.,leetron Temperature Instabilitr in Tokamak ToroidA!PIIaj JIAN Cua,lgae,DONG jiaqi (Southwestern Institute ot"r~ysics,ch目讪 610041) rAbsm~] The gyrokinetie equations for the electrostatic electron temperature gradient modes in toroidal pla.qnl~q a聆solved with particle simulation method.The fourth-order adaptive stepsize scheme is adopted , that saves computer time and is simple. The in~ iIRlm growth rate of the mode versus the electron temperature graaient p,liralneters e and R/L is giver,.Conlg~ son with experiments a聆 made and the theoretical results a聆 close to the experimental observations . [Key words] electron ternperature graaient instability gyrokinetie equations particle simulation (上接第 337页) CUI Ergu~ ,LIU Zhiming,QIN Guodong,NIAO Longxiu (College ot"l~leeh.and Elec.EngiIle耐Ilg,I~lotthem JiaotongIJnivenity,Beiii,,g1OOO44) 【Abstract] The UIC regulated that the fatigue strength of welded frame should be evaluated by Goodman diagram,the welded frame has been adopted at large in speed-up and high-speed bogies,SO it is very iraportant to study the fatigue stn,,,gth evalua— tion of welded frame.The evaluation thoughts WIt8 firstly introduced and the metI of ascertaining evaluating value adopted by ORE B12 committee WIt8 given;Secondly,Two new methods based on probability and fatigue theory put forward;finally, through practical applying and eonlgaring a聆 giver,the best method. 【脚 words] welded frame fatigue strength Goodman diagram 维普资讯 http://www.cqvip.com
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