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，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 2368—2005《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.

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