虚拟疲劳试验：某轨道货车三轴焊接构架

新设计的该焊接构架由两根侧梁与两根横梁组焊而成。按虚拟疲劳试验流程，首先根据设计图样创建含焊缝的有限元计算模型，其中需要评估疲劳寿命的焊缝均用三维块体单元建模，且每条焊缝在焊趾处有两条焊线。图8-9给出的有限元模型中标出了9条重要焊缝的具体位置。

欧洲TSI设计规范规定了该类型转向架焊接构架在疲劳试验台架上的疲劳载荷，其中包括了垂向载荷、横向载荷以及它们的变化规律^[14]。数值计算时将它们按实际情况输入到计算模型里。图8-10给出了疲劳载荷加载与位移约束示意。

图8-9 含焊缝的焊接构架的有限元模型

注：图中序号1～9为焊缝编号。

图8-10 构架疲劳载荷加载与位移约束示意图

疲劳试验载荷的循环加载次数为10⁷次，分三个阶段加载：6×10⁶次、2×10⁶次、2×10⁶次。这里还需要补充，以原载荷为基准加载6×10⁶次，如果试验没有出现任何问题，随后2×10⁶次的载荷需要放大1.2倍，这之后如果试验还没有出现任何问题，随后2×10⁶次的载荷还需要放大1.4倍，表8-1给出了三阶段疲劳载荷的具体数据。图8-11给出了疲劳载荷波形。

表8-1 三阶段疲劳载荷

图8-11 构架疲劳载荷波形

计算疲劳损伤的依据是美国ASME标准中的结构应力法^[15]。为提高“虚拟疲劳试验”的置信度，主S-N曲线计算公式的标准差取-2σ，计算时将每一载荷工况的结构应力、等效结构应力都保存起来，最后基于疲劳损伤累积得到总的疲劳损伤。

将有限元模型中焊线（这里指焊趾）上节点按焊线走向定义为横坐标，将与节点对应的结构应力值定义为纵坐标，这样就可以绘制出每条焊线上的结构应力曲线。图8-12给出了F_zc工况（简称工况1）下的焊缝结构应力变化曲线，图8-13给出了F_y工况（简称工况2）焊缝结构应力变化曲线。图8-12～图8-15中给出的焊缝上的结构应力曲线，其实是该焊缝所有焊线中峰值较高的那一条。这些曲线特别有价值，因为它提供了以下信息：

1）在一条焊缝的长度上，应力集中的峰值有几个，以及哪个位置上的应力集中峰值最高。(www.xing528.com)

2）如果将多条焊缝放在一起，可以比较出哪条焊缝上的应力集中峰值水平最高。

图8-12 工况1焊缝结构应力变化曲线

图8-13 工况2焊缝结构应力变化曲线

3）如果将所有载荷工况的应力集中峰值结果放到一起对比，可以看到哪个载荷工况对疲劳损伤影响最大。

4）根据这些应力集中峰值对应的位置，可以分析结构上的什么问题导致了如此高的峰值。

根据这些信息，对原结构的局部刚度进行协调修改，接着再次进行虚拟疲劳试验，直到满足设计要求为止。

图8-14和图8-15分别给出了工况1和工况2作用下焊缝上原设计与改进设计的结构应力分布对比。结果表明应力集中得到了明显缓解。

图8-14 工况1作用下焊缝的结构应力变化曲线

图8-15 工况2作用下焊缝的结构应力变化曲线