CN104749200B - 基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法，该方法包括：对根部未焊透缺陷进行检测并表征，根据缺陷形状参数a、c、B确定初始裂纹当量a_i；基于三维有限元计算有焊接缺陷部位焊接接头处在不同工况下的最大主应力、弯曲应力和残余应力；确定焊接接头中最大允许裂纹当量长度a_f；计算其焊接接头的剩余疲劳寿命；该方法能够较为准确的估算转向架焊接缺陷的剩余疲劳寿命，为优化改进焊接工艺和对接头进行安全性能评定方面提供可靠理论支撑。

Description

基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法

技术领域

本发明涉及机械技术领域，具体涉及一种基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法。

背景技术

机车车辆转向架是保障行车安全的关键部件。在车辆运行过程中，转向架承受着安装部件的工作载荷、制动、牵引和惯性力，是最为关键的承载部件和传力部件之一，对行车安全起着至关重要的作用，而构架又是转向架的重要承载和传力构件，一般情况下构架由箱型结构梁组焊而成。在焊接及施工过程中存在外部损伤和难以探察的焊接缺陷,焊接缺陷的存在将影响焊接接头的质量，而接头质量又直接影响到结构件的安全使用。另外在列车运行过程中，转向架各部位所承受的实际应力是一个连续的随机过程，这种应力的峰值和谷值随时间变化的情况称作应力时间历程。在一定服役环境和力学条件下,这些缺陷就成为裂纹的发源地，当损伤达到一定程度，就会导致疲劳破坏，严重危及行车安全。因此需要对转向架使用寿命进行估算。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是实现对转向架使用寿命的估算。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明的提供了一种基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法：

对根部未焊透缺陷进行检测并表征，根据缺陷形状参数a、c、B确定初始裂纹当量a_i；其中a：未焊透深度，c：未焊透缺陷长度的一半，B为缺陷处结构的厚度；

基于三维有限元计算有焊接缺陷部位焊接接头处在不同工况下的最大主应力、弯曲应力和残余应力，所述最大主应力的幅值所述弯曲应力幅值Δσ₁为最大应力，Δσ₂为最小应力；

根据公式确定焊接接头中最大允许裂纹当量长度a_f；其中，π为圆周率，K_c为评定工况下的材料临界应力强度因子，Y是形状影响因子，σ_max是最大拉伸强度，σ_max＝k_tmP_m+k_tb[P_b+(k_m-1)P_m]+Qk_tm和k_tb分别为主应力和弯曲应力应力集中系数；P_m为主应力，P_b为弯曲应力；k_m为错边修正系数；Q为残余应力。

根据公式计算其焊接接头的剩余疲劳寿命；

其中，A＝5.21×10-13,m＝3，

Y(△σ)＝Mf_w[k_tmM_kmM_m△σ_m+k_tbM_kbM_b(△σ_b+(K_m-1)△σ_m)]

式中：M为突边修正系数；f_w有限板宽修正系数；k_tm，k_tb为主应力和弯曲应力集中系数；M_m，M_b、M_km，M_kb为缺陷位于应力集中部位时的修正系数；K_m为错位修正系数，a_f为焊接接头中最大允许裂纹当量长度。

进一步的，所述对根部未焊透缺陷进行检测包括：采用X射线探伤法或者着色渗透探伤方法对根部未焊透缺陷进行对进行无损检测。

进一步的，还包括：根据如下公式计算K_c：其中π为圆周率，σ_s为焊接接头的屈服强度，量纲MPa，E为材料的弹性模量，量纲为GPa，δ_c为裂纹扩展的极限值，量纲mm。

进一步的，在计算其焊接接头的剩余疲劳寿命之前，所述方法还包括：确定焊缝宽度L；根据所述厚度B焊缝宽度L并利用二维有限元计算焊接接头中的表面缺陷位于应力集中部位时的修正系数，或者，利用三维有限元计算深埋缺陷位于应力集中部位时的修正系数。

(三)有益效果

本发明所给出了一种基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法，能够较为准确的估算转向架焊接缺陷的剩余疲劳寿命，为优化改进焊接工艺和对接头进行安全性能评定方面提供可靠理论支撑。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法的流程示意图；

图2为焊接接头表面缺陷的初始裂纹当量计算曲线；

图3为焊接接头深埋缺陷初始裂纹当量计算曲线；

图4为δ-V关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于转向架中制动吊座、齿轮箱吊座、扭杆安装座、纵向辅助梁、侧梁横梁等部件焊接接头中焊缝区和热影响区深埋缺陷对相应的构件的使用寿命进行估算的方法。下面结合附图对本发明提供的方法进行说明，需要指出的是，以下的实施例仅是本发明优选的实施方式，不应该理解为对本发明保护范围的限定。

本发明提供了一种基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S1，对转向架焊接接头进行X射线和超声波探伤检测和缺陷解剖，对检测到的根部未焊透等缺陷进行表征，根据缺陷形状参数a、c、B确定初始裂纹当量a_i。其中，a：缺陷宽度的一半，c：缺陷长度的一半，B：缺陷处结构的厚度，L：焊缝宽度。评定时根据实际测量缺陷的形状参数a/2c的值，采用插值法确定初始裂纹当量a_i。

在具体实施时，对于表面缺陷，初始裂纹当量a_i/B的值与a/B的比值呈确定的线性关系，对于深埋缺陷，初始裂纹当量2a_i/B的值和2a/B的值成确定的线性关系，这样可以采用插值法确定初始裂纹当量a_i。如图2所示，为表面缺陷的初始裂纹计算曲线，图3为焊接接头深埋缺陷初始裂纹计算曲线。

步骤S2，根据三点弯曲方法计算焊接接头的应力强度因子其中K_c为评定工况下的材料韧性，量纲为Mpa/m^1/2，根据所述焊接接头的应力强度因子确定焊接接头中最大允许裂纹当量长度a_f。

临界裂纹张开位移：

参照图4，式中：Z是刀口的厚度，a₀是初始裂纹深度，W是试样宽度，r为转动因子，V_C是临界缺口张开位移。

式中，π为圆周率，σ_s为焊接接头的屈服强度，量纲MPa，E为材料的弹性模量，量纲为GPa，δ_c为裂纹扩展的极限值，量纲mm。

式中：σ_max为最大拉伸强度，Y为形状影响因子。

σ_max＝k_tmP_m+k_tb[P_b+(k_m-1)P_m]+Q

式中：k_tm和k_tb为应力集中系数；P_m为主应力，P_b为弯曲应力；

k_m为错边修正系数；Q为残余应力。

步骤S3，基于三维有限元计算转向架有焊接缺陷部位焊接接头处在不同工况下的最大主应力、弯曲应力和残余应力，所述最大主应力的幅值所述弯曲应力幅值Δσ₁为最大应力，Δσ₂为最小应力。

步骤S4，根据所述厚度B并利用二维有限元计算焊接接头中的表面缺陷位于应力集中部位(焊趾、焊根)时的修正系数，或者，根据所述厚度B并利用三维有限元计算深埋缺陷位于应力集中部位时的修正系数。

1)当a/2c＝0(即缺陷长度为整条焊缝长度)时，修正系数的数学表达式：

Mk＝v(z/B)^w

另外，轴向载荷时，当L/B>2M_km＝(B/tw)^0.5v(z/B)^w，弯曲载荷时，当L/B>1M_kb＝(B/tw)^0.5v(z/B)^w

当M_k<1时，取M_k＝1；上式中V和W的取值参见表1

表1轴向和弯曲载荷下v和w取值

2)当0.005<a/B<1.0

0.1≤a/c≤1.0

0.5≤L/B≤2.75(L/B>2.75,L/B＝2.75)

对于埋藏裂纹轴向应力修正系数M_km的数学表达式：

式中：

式中：

g₁＝-1.0343(a/c)²-0.15657(a/c)+1.3409；

g₂＝1.3218(a/c)-0.61153；

g₃＝-0.87238(a/c)+1.2788；

g₄＝-0.46190(a/c)³+0.67090(a/c)²-0.37571(a/c)+4.6511.

式中：

g₅＝-0.015647(L/B)³+0.090889(L/B)²-0.17180(L/B)-0.24587；

g₆＝-0.20136(L/B)²+0.93311(L/B)-0.41496；

g₇＝0.20188(L/B)²-0.97857(L/B)+0.068225；

g₈＝-0.027338(L/B)²+0.12551(L/B)-11.218.

当计算的结果M_km＜1时，取M_km＝1。

对于埋藏裂纹弯曲应力修正系数M_kb的计算公式：

式中：

式中：

g₁＝-0.014992(a/c)²-0.021401(a/c)-0.23851；

g₂＝0.61775(a/c)^-1.0278；

g₃＝0.00013242(a/c)-1.4744；

g₄＝-0.28783(a/c)³+0.58706(a/c)²-0.37198(a/c)-0.89887.

且式中：

式中：

g₅＝-17.195(a/B)²+12.468(a/B)-0.51662；

式中：

g₆＝-0.059798(L/B)³+0.38091(L/B)²-0.80220(L/B)+0.31906；

g₇＝-0.35848(L/B)²+1.3975(L/B)-1.7535；

g₈＝0.31288(L/B)²-1.3599(L/B)+1.6611；

g₉＝-0.001470(L/B)²-0.0025074(L/B)-0.0089846.

步骤S5，根据公式计算其焊接接头的剩余疲劳寿命；

其中，A＝5.21×10^-13,m＝3，

Y(△σ)＝Mf_w[k_tmM_kmM_m△σ_m+k_tbM_kbM_b(△σ_b+(K_m-1)△σ_m)]

式中：M为突边修正系数；f_w有限板宽修正系数；k_tm，k_tb为主应力和弯曲应力集中系数；M_m，M_b、M_km，M_kb为缺陷位于应力集中部位时的修正系数；K_m为错位修正系数；a_f为焊接接头中最大允许裂纹当量长度。

下面结合具体应用场景，对本发明提供的基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法进行详细说明，假设焊缝存在缺陷为未焊透，属于深埋缺陷。其中a＝1.155，B＝12，等效厚度B’＝39.90，c为整条焊缝。

由拟合函数求得a_i＝1.16

12mm厚的SMA490BW钢的K_C值为80.74Mpa/m^1/2,

三维有限元模拟后的结果P_m＝21.53MPa，P_b＝0.3437MPa，Q＝130.8MPa。

由σ_max＝k_tmP_m+k_tb[P_b+(k_m-1)P_m]+Q可得，σ_max＝152.6737MPa。式中修正系数的值取1。

再由得到a_f＝42.834mm。Y为形状因子，值取1。

由于a/c＝0，故利用二维有限元计算修正系数，

Mk＝v(z/B)w

其中z＝6.06,L＝15,可以求得M_km和M_kb的值均小于1，故取两个参量值均取1。

再由三维有限元分析得到的Δσ_m＝21.5300MPa，Δσ_b＝1.5813MPa.将数据代入下式：

Y(△σ)＝Mf_w[k_tmM_kmM_m△σ_m+k_tbM_kbM_b(△σ_b+(K_m-1)△σ_m)]，式中除M_km和M_kb外，其他修正系数均取1.

得到Y(△σ)＝23.1113MPa。代入下式，

其中，A＝5.21×10^-13,m＝3，得到N＝1007186。故得到该焊缝在达到临界断裂前还可以循环1007186次。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.基于转向架焊接缺陷估算转向架使用寿命的方法，其特征在于，包括：

对根部未焊透缺陷进行检测并表征，根据缺陷形状参数a、B确定初始裂纹当量a_i；其中a：未焊透深度，B为缺陷处结构的厚度；

基于三维有限元计算有焊接缺陷部位焊接接头处在不同工况下的最大主应力、弯曲应力和残余应力，所述最大主应力的幅值所述弯曲应力幅值Δσ₁为最大应力，Δσ₂为最小应力；

根据公式确定焊接接头中最大允许裂纹当量长度a_f；其中，π为圆周率，K_c为评定工况下的材料临界应力强度因子，Y是形状影响因子，σ_max是最大拉伸强度，σ_max＝k_tmP_m+k_tb[P_b+(k_m-1)P_m]+Qk_tm和k_tb为应力集中系数；P_m为主应力，P_b为弯曲应力；k_m为错边修正系数；Q为残余应力；

根据公式计算其焊接接头的剩余疲劳寿命；

其中，A＝5.21×10^-13,m＝3，

Y(Δσ)＝Mf_w[k_tmM_kmM_mΔσ_m+k_tbM_kbM_b(Δσ_b+(K_m-1)Δσ_m)]

式中：M为突边修正系数；f_w有限板宽修正系数；k_tm，k_tb为主应力和弯曲应力集中系数；M_m，M_b、M_km，M_kb为缺陷位于应力集中部位时的修正系数；K_m为错位修正系数；a_f为焊接接头中最大允许裂纹当量长度。

2.如权利1所述的方法，其特征在于，所述对根部未焊透缺陷进行检测包括：采用X射线探伤法或者着色渗透探伤方法对根部未焊透缺陷进行对进行无损检测。

3.如权利1所述的方法，其特征在于，还包括：根据如下公式计算K_c：其中π为圆周率，σ_s为焊接接头的屈服强度，量纲MPa，E为材料的弹性模量，量纲为GPa，δ_c为裂纹扩展的极限值，量纲mm。

4.如权利1所述的方法，其特征在于，在计算其焊接接头的剩余疲劳寿命之前，所述方法还包括：确定焊缝宽度L；根据所述厚度B及焊缝宽度L并利用二维有限元计算焊接接头中的表面缺陷位于应力集中部位时的修正系数，或者，利用三维有限元计算深埋缺陷位于应力集中部位时的修正系数。