CN103838975A

CN103838975A - 车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置

Info

Publication number: CN103838975A
Application number: CN201410100821.2A
Authority: CN
Inventors: 王贵国; 黄振晖; 蒋大旺; 李荣亮; 郭云健; 谈立成
Original assignee: Tangshan Railway Vehicle Co Ltd
Current assignee: CRRC Tangshan Co Ltd
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明提供一种车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置。本发明车体焊缝疲劳寿命计算方法，包括：获取不同疲劳强度工况下车体的载荷；根据所述车体的几何模型建立有限元模型；其中，所述有限元模型包括所述车体的焊缝的节点；将所述载荷加载到所述有限元模型上计算所述焊缝的结构应力；根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命。本发明实现了对铝合金车体焊缝的疲劳寿命计算，并将影响铝合金车体焊缝抗疲劳能力的主要因素通过等效结构应力体现出来，解决了现有技术中采用名义应力法得出的焊缝疲劳寿命分析数据误差较大的问题。

Description

车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置

技术领域

本发明涉及机械技术，尤其涉及一种车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置。

背景技术

随着我国高速铁路不断投入运营，高速动车组的可靠性面临考验，车体焊接构架是最需要关注的部位，焊接构架一般的失效均为焊接结构中焊缝处的疲劳破坏。

高速列车铝合金车体结构复杂、焊缝数量大，焊缝间位置关系复杂。目前，对高速列车车体的焊缝疲劳寿命评估很少，有的也只是基于名义应力法的焊接结构疲劳分析的标准，如：英国的BS7608，除了工程应用中焊接接头分类难以把握外，当用有限元法计算名义应力时，由于有限元分析过程中焊接部位网格划分及网格尺寸对该区域名义应力值影响较大，所以难以获得焊缝上的精确的名义应力值。因此，名义应力法得出的疲劳分析数据误差较大。

发明内容

本发明提供一种车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置，以克服现有技术中采用名义应力法得出的焊缝疲劳寿命分析数据误差较大的问题。

第一方面，本发明提供一种车体焊缝疲劳寿命计算方法，包括：

获取不同疲劳强度工况下车体的载荷；

根据所述车体的几何模型建立有限元模型；其中，所述有限元模型包括所述车体的焊缝的节点；

将所述载荷加载到所述有限元模型上计算所述焊缝的结构应力；

根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命。

可选地，所述将所述载荷加载到所述有限元模型上计算所述焊缝的结构应力，包括：

将所述载荷加载到所述有限元模型上根据有限元方法计算得出所述焊缝的各个节点的沿y轴方向的节点力F_y和沿x轴方向的节点弯矩M_x；

根据所述节点力F_y和节点弯矩M_x计算所述各个节点的线载荷f_y和线弯矩m_x，并将所述各个节点的线载荷f_y和线弯矩m_x转换成沿y'轴方向的线载荷f_y'和沿x'轴方向的线弯矩m_x'；其中所述y'轴为与所述各个节点沿焊缝方向垂直的方向，所述x'轴为所述各个节点沿焊缝的方向；

由所述线载荷f_y'和所述线弯矩m_x'根据计算得出所述各个节点的结构应力σ_s；其中所述t为所述车体焊缝处材料的厚度。

可选地，根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命，包括：

根据所述各个节点的结构应力计算所述焊缝的各个节点的疲劳寿命

其中所述

所述C与h为主S-N曲线试验常数，所述m为常数，所述I(r)为描述载荷模式效应的函数，其中所述r为弯曲比σ_b/σ_s。

第二方面，本发明提供一种车体焊缝疲劳寿命计算装置，包括：

获取模块，用于获取不同疲劳强度工况下车体的载荷；

模型建立模块，用于根据所述车体的几何模型建立有限元模型；其中，所述有限元模型包括所述车体的焊缝的节点；

处理模块，用于将所述载荷加载到所述有限元模型上计算所述焊缝的结构应力，根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命。

可选地，所述处理模块，具体用于：

由所述线载荷f_y'和所述线弯矩m_x'根据

计算得出所述各个节点的结构应力σ_s；其中所述t为所述车体焊缝处材料的厚度。

可选地，所述处理模块，具体用于：

其中所述

本发明车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置，通过有限元模型计算方法将获取到的不同疲劳强度工况下车体的载荷加载到有限元模型上计算车体焊缝的结构应力，最终根据结构应力计算焊缝的疲劳寿命，实现了对铝合金车体焊缝的疲劳寿命计算，并将影响铝合金车体焊缝抗疲劳能力的主要因素通过等效结构应力体现出来，解决了现有技术中采用名义应力法得出的焊缝疲劳寿命分析数据误差较大的问题。

附图说明

图1为本发明车体焊缝疲劳寿命计算方法实施例一的流程图；

图2为本发明方法实施例一的车体焊缝示意图一；

图3为本发明方法实施例一的焊缝节点示意图；

图4为本发明方法实施例一的疲劳强度工况一的结构应力曲线示意图；

图5为本发明方法实施例一的疲劳强度工况二的结构应力曲线示意图；

图6为本发明方法实施例一的疲劳强度工况三的结构应力曲线示意图；

图7为本发明方法实施例一的疲劳强度工况四的结构应力曲线示意图；

图8为本发明方法实施例一的疲劳强度工况五的结构应力曲线示意图；

图9为本发明方法实施例一的疲劳强度工况六的结构应力曲线示意图；

图10为本发明方法实施例一的疲劳强度工况七的结构应力曲线示意图；

图11为本发明车体焊缝疲劳寿命计算装置实施例一的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明车体焊缝疲劳寿命计算方法实施例一的流程图。图2为本发明方法实施例一的车体焊缝示意图一。图3为本发明方法实施例一的焊缝节点示意图。如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、获取不同疲劳强度工况下车体的载荷。

具体地，本发明实施例的应用对象可以为高速列车铝合金TC中间车车体模型CRH3-380，基于车体在线试验标准，获取车体在实际线路上不同疲劳强度工况下的载荷，如下表1所示：

表1不同疲劳强度工况下车体的载荷表

表1中g=9.8N/kg。

步骤102、根据车体的几何模型建立有限元模型；其中，有限元模型包括车体的焊缝的节点。

具体地，确定车体所有关心的焊缝位置（如图2所示箭头所指位置）；根据车体的几何模型创建完整的包括焊缝的车体有限元模型，有限元模型将所述车体划分为单元和单元之间连接的节点。

步骤103、将载荷加载到有限元模型上计算焊缝的结构应力。

例如可以采用HyperMesh为三维建模平台建立有限元模型，ANSYS软件为有限元模型的计算分析平台。

可选地，将载荷加载到有限元模型上计算焊缝的结构应力，包括：

由所述线载荷f_y'和所述线弯矩m_x'根据

具体地，如图3所示，焊缝上划分i个单元Ei，i的取值为从1…n-1，n个节点Nj，j的取值为从1…n，根据各个节点沿y轴方向的节点力F_y和沿x轴方向的节点弯矩M_x根据公式（1）和（2）计算各个节点的线载荷f_y和线弯矩m_x，并将各个节点的线载荷f_y和线弯矩m_x转换成沿y'轴方向的线载荷f_y'和沿x'轴方向的线弯矩m_x'；其中所述y'轴为与所述各个节点沿焊缝方向垂直的方向，所述x'轴为所述各个节点沿焊缝的方向；

[\begin{matrix} F_{y 1} \\ F_{y 2} \\ F_{y 3} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ F_{yn} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{l_{1} + l_{n - 1}}{3} & \frac{l_{1}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 & \frac{l_{n - 1}}{6} \\ \frac{l_{1}}{6} & \frac{l_{1} + l_{2}}{3} & \frac{l_{2}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ 0 & \frac{l_{2}}{6} & \frac{l_{2} + l_{3}}{3} & \frac{l_{3}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \frac{l_{n - 1}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 & \frac{l_{n - 2}}{6} & \frac{l_{n - 2} + l_{n - 1}}{3} \end{matrix}] [\begin{matrix} f_{y 1} \\ f_{y 2} \\ f_{y 3} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ f_{yn} \end{matrix}] - - - (1)

[\begin{matrix} M_{y 1} \\ M_{y 2} \\ M_{y 3} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ M_{yn} \end{matrix}] = [\begin{matrix} \frac{l_{1} + l_{n - 1}}{3} & \frac{l_{1}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 & \frac{l_{n - 1}}{6} \\ \frac{l_{1}}{6} & \frac{l_{1} + l_{2}}{3} & \frac{l_{2}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 \\ 0 & \frac{l_{2}}{6} & \frac{l_{2} + l_{3}}{3} & \frac{l_{3}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \frac{l_{n - 1}}{6} & 0 & \cdot \cdot \cdot & 0 & \frac{l_{n - 2}}{6} & \frac{l_{n - 2} + l_{n - 1}}{3} \end{matrix}] [\begin{matrix} m_{y 1} \\ m_{y 2} \\ m_{y 3} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ m_{yn} \end{matrix}] - - - (2)

其中，l_i为第i个节点与第i+1个节点的距离，i的取值为从1…n-1；F_yj为第j个节点的节点力，f_yj为第j个节点的线载荷，M_yj为第j个节点的节点弯矩，m_yi为第j个节点的线弯矩，j的取值为从1…n。

由各个节点坐标转换后的线载荷f_y'和线弯矩m_x'根据

计算得出各个节点的结构应力σ_s；其中t为所述车体焊缝处材料的厚度，

σ_{m} = \frac{f_{y^{'}}}{t}, σ_{b} = \frac{{6 m}_{x^{'}}}{t^{2}} .

步骤104、根据结构应力计算焊缝的疲劳寿命。

可选地，根据结构应力计算焊缝的疲劳寿命，包括：

其中所述

具体地，根据公式计算各个节点的疲劳寿命，其中等效结构应力

m为常数，一般m=3.6，I(r)为描述载荷模式效应的函数，其中r为弯曲比σ_b/σ_s，如

C与h为主S-N曲线试验常数，可以取如下表2中的值：

表2主S-N曲线试验参数表

表2中σ表示S-N曲线数据集离散度的标准差。

上述等效结构应力包含影响焊缝疲劳寿命的主要因素，如焊缝的形状、受力方式、焊缝尺寸等结构设计因素以及焊接质量定义、出现的主要失效模式等。

图4为本发明方法实施例一的疲劳强度工况一的结构应力曲线示意图。图5为本发明方法实施例一的疲劳强度工况二的结构应力曲线示意图。图6为本发明方法实施例一的疲劳强度工况三的结构应力曲线示意图。图7为本发明方法实施例一的疲劳强度工况四的结构应力曲线示意图。图8为本发明方法实施例一的疲劳强度工况五的结构应力曲线示意图。图9为本发明方法实施例一的疲劳强度工况六的结构应力曲线示意图。图10为本发明方法实施例一的疲劳强度工况七的结构应力曲线示意图。如图4～10所示，横坐标为起始点沿焊缝方向距离，起始点可以是如图3所示的第一个节点N1的位置，纵坐标表示结构应力值。根据图4～10所示的结构应力和等效结构应力可以计算出各个节点的疲劳寿命值N，部分节点如下表3所示：

表3疲劳寿命N计算结果

表3中节点号表示整个车体有限元模型中的节点编号。

本实施例，通过有限元模型计算方法将获取到的不同疲劳强度工况下车体的载荷加载到有限元模型上计算车体焊缝的结构应力，最终根据结构应力计算焊缝的疲劳寿命，实现了对铝合金车体焊缝的疲劳寿命计算，并将影响铝合金车体焊缝抗疲劳能力的主要因素通过等效结构应力体现出来，解决了现有技术中采用名义应力法得出的焊缝疲劳寿命分析数据误差较大的问题。

图11为本发明车体焊缝疲劳寿命计算装置实施例一的结构示意图，如图11所示，本实施例的车体焊缝疲劳寿命计算装置130可以包括：获取模块1301、模型建立模块1302和处理模块1303；其中，获取模块1301，用于获取不同疲劳强度工况下车体的载荷；模型建立模块1302，用于根据所述车体的几何模型建立有限元模型；其中，所述有限元模型包括所述车体的焊缝的节点；处理模块1303，用于将所述载荷加载到所述有限元模型上计算所述焊缝的结构应力，根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命。

可选地，处理模块1303，具体用于：

由所述线载荷f_y'和所述线弯矩m_x'根据

可选地，处理模块1303，具体用于：

其中所述

本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种车体焊缝疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括：

获取不同疲劳强度工况下车体的载荷；

根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述载荷加载到所述有限元模型上计算所述焊缝的结构应力，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述结构应力计算所述焊缝的疲劳寿命，包括：

根据所述各个节点的结构应力计算所述焊缝的各个节点的疲劳寿命其中所述

4.一种车体焊缝疲劳寿命计算装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取不同疲劳强度工况下车体的载荷；

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于：

由所述线载荷f_y'和所述线弯矩m_x'根据

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理模块，具体用于：

其中所述