CN113971361A - 一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法。主要包括：S100、对焊接接头应力进行集中识别，得到应力集中发生的具体焊缝位置；S200、对焊接接头应力进行集中剖析，获取应力集中产生原因；S300、给出设计方案对焊接接头应力进行集中缓解。本发明提出了具有可执行的结构应力计算的基本流程，克服了现有焊接结构设计方法不能科学使用的问题，应用结构应力进行焊接结构疲劳评估具有可操作性，进而保证了后续环节的可执行性。

Description

一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法
技术领域
本发明涉及轨道车辆焊接结构抗疲劳设计领域，具体而言，特别是一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法。
背景技术
在轨道装备制造领域，焊接结构是许多轨道交通产品中不可或缺的重要组成部分，而焊接结构由焊接接头组成，因此，焊接接头抗疲劳能力的高低，直接影响到焊接结构抗疲劳能力的高低，进而也间接影响到这些产品质量水平的高低。大量的轨道车辆服役安全分析及研究表明，轨道车辆上焊接结构的疲劳失效是影响轨道车辆服役安全的主要原因，由于轨道车辆服役过程中载荷的复杂性，使其焊接结构上存在着疲劳隐患。
轨道车辆焊接接头疲劳问题的存在着隐蔽性和严重的危害性，从疲劳失效过程的就可以看出它的隐蔽性，外力驱动焊趾或焊根上的微小裂纹的不断扩展，而结构内部的阻抗力则抵抗着裂纹的扩展，于是在这个过程中，外力的驱动与内力的抵抗就构成了一对矛盾共同体，正是由于这个矛盾双方的平衡不断地被打破，才最终导致了焊接结构的疲劳失效的发生，而这一过程具是要经历一个时间历程的。轨道车辆焊接疲劳问题的危害性从很多事例都充分体现，2005年某铁路客车转向架焊接构架上一条焊缝疲劳开裂的事故，就险些瘫痪了当年的中国铁路春运，疲劳隐患就藏在焊接接头的细节之中。如某特快客车转向架焊接构架上一条焊缝的疲劳开裂，开裂的原因之一是为了减轻自重而将原铸造的定位座改为焊接定位座，结果因焊缝处产生了严重的应力集中而导致了疲劳开裂。焊缝疲劳开裂，不仅会导致大批量的维修或更换而带来的严重的经济损失，还可能像1998年德国萨克森州，101人死，88人伤的德国ICE高速列车疲劳事故所导致的后果触目惊心。2017年日本新干线列车转向架开裂，转向架框架钢材底面与其它零部件焊接时，钢材上出现的细微裂痕可能是开裂的起点。此外，还受到了违反公司内部规定过度削去钢材，导致厚度低于标准值等的影响，再裂3厘米就会车毁人亡，轨道车辆焊接结构抗疲劳设计的重要程度不言而喻。
焊接工艺过程的特殊性导致焊缝处的抗疲劳能力低于母材的抗疲劳能力是一个不可改变的事实，因此，焊接结构设计阶段的抗疲劳设计就显得尤其的重要。
对于焊接结构良好的抗疲劳行为在EN BS 7608中有描述，可以理解为，疲劳寿命通常是由一些接头的疲劳行为决定，包括主要和次要的接头，甚至包括因制造或搬运所需要的辅助构件，可能都是导致疲劳裂纹的区域，因此也应该对它们进行疲劳评估。当某个产品被细化和被建造时，如果能使应力集中保持最小，那么就可以获得较好的疲劳行为。由此可见获得较好的疲劳行为的关键就是有效识别应力集中。
国内外现有轨道车辆焊接结构抗疲劳分析方法主要分为以下几类：
1)将金属疲劳强度设计的理论与方法用于焊接结构
焊接结构抗疲劳设计的理论与方法与金属疲劳强度设计的理论与方法不同，其理由是它们疲劳破坏的机理是有区别的，因此二者不可互相替代。在定义疲劳寿命时，金属疲劳寿命是“构件疲劳裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命之和”，然而焊接结构的疲劳开裂过程中裂纹萌生对疲劳寿命的贡献是可以忽略的，因为焊接结构没有裂纹萌生的过程，即使外观看似完美的焊缝也会与带有生俱来的焊接缺陷。
2)焊接结构疲劳分析方法
依据产品有限元分析结果求得评估部位的名义应力法是以北美铁路协会AAR标准、英国BS7608标准或国际焊接学会IIW标准中提供的焊接接头S-N曲线试验数据，依据Miner线性累积损伤理论进行疲劳寿命评估。然而，由于实验室里的焊接接头的几何形状是简单的、疲劳载荷也是简单的，因此，名义应力法以“对号入座”方式的工程应用有明显的局限性。为了克服名义应力法的这种局限性，后来又提出了热点应力法，但是，热点应力不过是名义应力的外推，本质上也不是理论上的突破。当计算焊缝的热点应力时，不仅对有限元网格的大小非常敏感，而且对网格划分方式、网格尺寸都有严格要求，当焊接结构复杂时，有限元建模工作因过于繁重而无法进行。
3)在将疲劳失效原因主要归结为焊接质量
从制造质量的角度寻找问题发生的原因，在过去由于焊接质量很差，焊接缺陷严重而导致一些焊缝在短时间内发生疲劳失效的情况是存在的。但现阶段焊接技术和质量已经有了巨大的进步，并且检验的水平也逐步提升，但是疲劳失效问题还是继续发生，即使检查表明焊接质量没有问题，但服役不久还是出现了疲劳失效。这表明：将疲劳失效产生的原因简单地归结为焊接质量的问题是不恰当的，疲劳问题的源头可以在制造阶段，也可以产生于设计阶段。
目前，轨道车辆焊接结构抗疲劳分析领域，主要存在以下问题：
1)重视疲劳试验验证，不重视设计阶段
由于形成焊接结构的热物理行为相当复杂，致使一些人认为疲劳失效隐患存在与否的检验只能通过台架上的疲劳试验验证。当然，对台架上疲劳试验的重视确实是必要的，但是技术设计图纸的上游设计阶段，如果设计不当，应力集中之类的疲劳隐患就有可能藏匿于其中。如果发生“上游设计污染”，那么“下游制造治理”的经济、人力和时间代价都将是巨大的。
2)轨道车辆焊接设计指导方法与标准无法科学使用
目前，国内轨道车辆焊接设计的GB/T25343.3(铁路应用轨道车辆及其部件的焊接第3部分：设计要求)标准是建立在BS EN15085-3(Railway Applications-Welding ofRailway Vehicles and Components Part 3:Design requirements)标准平台基础上，因为BS EN15085-3是工厂产品出口时执行标准之一，因此，在轨道装备制造领域得到了广泛的应用。在BS EN15085-3标准中，焊接接头设计、生产、检查是三个递进环节，其中，第一环节是通过疲劳寿命计算进而获得应力因子。但如何计算应力因子以用来确认应力类别，该标准并没有给出任何可量化执行的具体方法，这使得应力类别、焊缝性能等级、焊缝检验等级将无法科学确认。这也导致GB/T25343.3标准存在着执行难的问题，使用者只能凭借积累的经验、偏于保守地确认焊接接头质量等级、检查等级。这将导致制造成本上升、段修成本上升。以上表明目前轨道装备领域焊接结构设计方法仍需完善。
基于名义应力的疲劳设计与评估方法是一种传统的评估方法，又可称为常规的疲劳设计方法，该方法以名义应力为设计参数，综合了疲劳裂纹形成和扩展两部分因素进行评估。BS7608标准，即英国钢结构疲劳设计与评估使用标准，最初是用于土木工程中钢结构和汽车工业等领域的疲劳评定，于1993年上升为英国标准。IIW标准是来自13个国家的焊接机构和科学家于1948年共同建立的，提供的疲劳试验数据多次证明材料屈服强度对焊接结构的疲劳强度没有影响，IIW标准包括了钢结构和铝结构提供的S-N曲线，适用范围更广，内容也更为细致、丰富。BS7608和IIW标准中的S-N曲线都是基于试验数据和名义应力创建的，虽然考虑了残余应力的影响，但对焊接结构抗疲劳设计来说，二者没有指出焊接接头上的应力分布和应力集中的位置。图1为名义应力的焊接接头抗疲劳设计的一般流程。
BS7608和IIW标准中的S-N曲线都是基于试验数据和名义应力创建的，虽然考虑了残余应力的影响，但对焊接结构抗疲劳设计来说，首先，必须要准确地根据焊接接头选出对应的S-N曲线等信息，这对于非标准接头的抗疲劳设计有着巨大的困难，理论上将需要无穷多的S-N曲线数据来包含上述的多样性要求。事实上，仅从试验成本的角度看，要求一个标准中要提供近于无穷多的S-N曲线数据是不可能实现的，因此在工程应用中必然会遇到以下两个问题：1)焊接接头几何形状、焊缝位置与试验样件的一致性问题；2)实际承受的疲劳载荷与样件疲劳试验时所施加的疲劳载荷的一致性问题。如果这两个一致性中有任何一个不能被很好地满足，严格说各标准所提供的S-N曲线数据是不可以被使用的。如果从偏于安全的角度“借用”，那么寿命计算必然产生偏差，这样基于寿命计算结果的设计方案对比也将失去工程实际意义。其次，基于名义应力的焊接接头抗疲劳设计过程中，没有指出也无法指出焊接接头上的应力分布和应力集中的位置，这就代表不能较好的在源头上进行抗疲劳设计。
发明内容
鉴于现有技术中存在的焊接接头抗疲劳设计过程无法指出焊接接头上的应力分布和应力集中的位置的技术问题，本发明提供一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，从焊接接头抗疲劳设计的被动状态转化为主动状态，降低轨道车辆产品整体研究成本、试验成本和设计周期。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，包括：
S100、对焊接接头应力进行集中识别，得到应力集中发生的具体焊缝位置；
S200、对焊接接头应力进行集中剖析，获取应力集中产生原因，包括：
根据结构应力的计算确认的应力集中的位置与峰值，分析在这个位置上出现峰值的原因，
对出现应力集中的位置与峰值的焊缝进行力学原理剖析，分析应力集中问题涉及到设计的因素，
对焊接接头载荷力流传的递路径进行研究，给出应力集中产生原因；
S300、给出设计方案对焊接接头应力进行集中缓解，包括：
依据焊接接头应力集中识别结果和焊接接头应力集中剖析结果，给出缓解应力集中的可行方案，所述可行性方案结合焊接工艺的可行性，或凭借关于接头几何的形状优化，或焊缝布局优化措施缓解设计应力集中，
基于结构应力法结合仿真计算，再次进行缓解应力集中后方案的应力集中校核，
分析给出方案对应力集中缓解效果是否满足要求，否则重新调整缓解应力集中方案，直至满足预期要求。
进一步地，所述对焊接接头应力进行集中识别，得到应力集中发生的具体焊缝位置，包括：
S110、确定加载历史数据，所述加载历史数据应包括施加于构件的所有载荷与事件；
S120、进行有限元计算，形成有限元结果数据；
S130、定义焊缝节点及单元，检查单元属性、网格形式的设置是否满足结构应力计算要求；
S140、将有限元结果数据中的节点力和力矩转化为线力和线矩，生成结构应力计算参数，其中，所述线力为焊线处单位长度上的力，所述线矩为焊线处单位长度上力矩；
S150、对焊接接头位置进行膜应力与弯曲应力计算，并将所述膜应力与弯曲应力之和作为结构应力；
S160、分析其它因素对结构应力计算结果的过程的修正；
S170、绘制焊缝的结构应力曲线，给出结构应力峰值及峰值所在位置；
S180、保存结果。
进一步地，所述焊接接头位置的膜应力根据以下计算获得：
Figure BDA0003360376740000061
其中，σm为膜应力，t为板厚，fy为y轴方向单元边的线力，σx(y)为截面厚度上y方向的非线性应力。
进一步地，所述焊接接头位置的弯曲应力根据以下计算获得：
Figure BDA0003360376740000062
其中，σb为弯曲应力，t为板厚，σx(y)为截面厚度上y方向的非线性应力，mx为焊接接头位置绕x轴的线力矩。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提出了一种在上游设计阶段的复杂焊接接头新的抗疲劳设计思想，指出了焊接结构疲劳的源头为应力集中，建议工程技术人员将抗疲劳设计理念融入到焊接产品的上游设计阶段，即从设计中分析应力集中现象的角度进行基于上游阶段的抗疲劳设计，提升焊接结构抗疲劳能力。
2、本发明提出了具有可执行的结构应力计算的基本流程，克服了现有焊接结构设计方法不能科学使用的问题，应用结构应力进行焊接结构疲劳评估具有可操作性，进而保证了后续环节的可执行性。
3、本发明提出了具有可执行性基于结构应力的三阶段式复杂焊接接头抗疲劳设计方法，方法阐明了应力集中识别、应力集中剖析、应力集中缓解这三个阶段的执行路线。本方法对习惯于静强度设计的设计人员，在对轨道车辆焊接接头进行疲劳强度设计时，提供一个新的设计方法支持；
4、本发明提出的轨道车辆复杂焊接接头的抗疲劳设计方法不需要疲劳载荷谱，不需要等到疲劳寿命计算出来再来评价疲劳行为的好坏，直接从疲劳产生的源头上即应力集中现象上研究焊接接头抗疲劳问题，减少了后期的疲劳分析和产品实物试验成本。使用本方法，降低产品整体研究成本、试验成本和设计周期，方法具有较好的工程应用价值和行业可推广性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统名义应力的焊接接头抗疲劳设计流程图。
图2为本发明焊接接头结构应力计算方法流程图。
图3为本发明焊接接头抗疲劳设计方法流程图。
图4为本发明两个节点时节点力及线力分布示意图。
图5为本发明实施例1中原角焊缝的有限元模型结构图。
图6为本发明实施例1中对接焊缝的有限元模型细节-带直锥面过渡示意图。
图7为本发明实施例1中对接焊缝的有限元模型细节-带弧锥面的过渡示意图。
图8为本发明实施例1中三个方案焊缝上结构应力(应力集中)数据对比图。
图9为本发明实施例2中焊接吊座刚度协调前结构及结构应力曲线。
图10为本发明实施例2中吊座与横梁间焊缝改进后结构及结构应力曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
通过大量焊接结构失效事例的研究表明，抗疲劳设计不需要疲劳载荷谱，或者不用等到疲劳寿命计算出来以后再来评价疲劳行为的好与不好，因为疲劳问题的根本源头是应力集中问题，如果解决疲劳源头的应力集中问题，那么焊接接头就会有好的抗疲劳能力。在设计阶段就应完成应力集中的识别、剖析和缓解，如果认识到这一点，有利于从焊接接头抗疲劳设计的被动状态转化为主动状态。
工程上焊接结构与焊接接头的几何形状存在复杂性，疲劳载荷也存在复杂性，这些复杂性导致影响应力集中的变量不再单一，基于经验的设计措施也不可能包括工程上所有的接头设计，轨道车辆转向架焊接构架上的接头设计就具有这样的复杂性,，甚至名义应力都不找不到。因此，为了获得良好的疲劳行为，为了克服这种基于经验的设计局限性，提出一个有先进理论支撑的焊接接头抗疲劳设计方法是必要的。
基于上述研发背景，本发明提供了一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，包括：
S100、对焊接接头应力进行集中识别，得到应力集中发生的具体焊缝位置。
为了实现应力识别，本发明提出了一种应用于轨道车辆复杂焊接接头的结构应力计算方法，如图2所，其步骤主要包括：
S110、确定加载历史，加载历史应详细包括施加于构件的所有重要的载荷与事件。
S120、进行有限元计算，形成有限元结果数据。主要包括将加载的历史数据导入ANSYS软件，通过常规有限元计算产生的RST结果文件，代表加载工况的应力计算结果。
S130、定义焊缝节点及单元，检查单元属性、网格形式等设置是否满足结构应力计算要求。
具体包括：应用HyperMesh软件对复杂焊接接头的几何模型，进行网格划分，依据焊缝周边第一排网格的单元好和节点号在HyperMesh软件中来定义节点和单元SET组。以及确保所有需要计算的焊趾单元必须是四节点四边形单元；焊趾单元的雅可比应在0.5以上，长细比小于4，单元最小角最大角应尽可能接近90度；焊趾单元沿焊缝方向尽可能圆滑过渡。此外单元属性还包括单元的材料特性。如果设置结果不满足结构应力的计算要求，则需要重新调整设置参数。
S140、由有限元计算结果获取节点力和力矩，并将节点力和力矩转化为线力和线矩，生成结构应力计算参数。
S150、对焊接接头位置进行膜应力与弯曲应力计算，在给定板厚以后，截面内均匀分布的膜应力可以按照下式计算：
Figure BDA0003360376740000091
其中，σm为膜应力，t为板厚，fy为y轴方向单元边的线力，σx(y)为截面厚度上y方向的非线性应力。
而截面内产生的弯曲应力可以按照下式计算：
Figure BDA0003360376740000092
其中，σb为弯曲应力，t为板厚，σx(y)为截面厚度上y方向的非线性应力，mx为焊接接头位置绕x轴的线力矩。
由于已经定义的结构应力与外力平衡，因此结构应力即为膜应力与弯曲应力之和：
Figure BDA0003360376740000101
由公式(3)，在计算结构应力时首先要计算线力和线矩，而线力与线矩是指焊线处单位长度上的力与力矩。在有限元计算时，单元边上的分布载荷要向节点转化，而结构应力法在利用节点力求线力和线矩时，却是这个过程的逆过程，还要将有限元求得的节点力和力矩转化为线力和线矩。
如图4所示，节点1和2在y轴方向的节点力及绕x轴的力矩分别为Fy1、Fy2和Mx1、Mx2；y轴方向单元边的线力及绕x轴的线力矩分别为fy1，fy2和mx1、mx2根据力的平衡方程，可以求得式(4)。
Figure BDA0003360376740000102
求(4)等式右侧项矩阵的逆可得：
Figure BDA0003360376740000103
所以节点1及节点2的结构应力为：
Figure BDA0003360376740000104
不失一般性，将一段焊缝划分成n个单元时，节点编号由1至n，焊线上的各节点距离为l1至ln-1，根据力平衡方程，可求得各节点力Fyn与线力fyn的对应关系。
{Fy1,Fy2L Fyn}T＝L{fy1,fy2L fyn}T (7)
上式中矩阵L只与节点距离相关，这里定义为单元长度等效矩阵：
Figure BDA0003360376740000111
为计算方便，下面给出了单元长度等效矩阵的逆阵L-1表达式：
Figure BDA0003360376740000112
由此可得线力与节点力的对应关系：
{fy1,fy2L fyn}T＝L-1{Fy1,Fy2L Fyn}T (10)
同理，线矩mx与节点力矩Mx与上述表达式形式相同，这样当有n个节点在相同的单元厚度t的情况下，各节点的结构应力σn，以及各节点力Fyn及力矩Mxn可用矩阵方式表为：
Figure BDA0003360376740000113
式(11)即为结构应力计算通用公式.
S160、分析其它因素对结构应力计算结果的过程的修正。
其他因素包括设计人员是否考虑初始焊接缺陷，如气孔、咬边、未熔透等。如果存在对结构应力计算结果有影响的因素，则采用将缺陷等效为初始裂纹进行修正。即采用以下公式进行修改：
Figure BDA0003360376740000114
Figure BDA0003360376740000115
其中，a为初始裂纹尺寸，t为板厚。
S170、绘制焊缝的结构应力曲线，给出结构应力峰值及峰值所在位置。
S180、保存结果。
上述这8个步骤即为基于结构应力计算的基本步骤。
S200、对焊接接头应力进行集中剖析，获取应力集中产生原因，包括：
根据结构应力的计算确认的应力集中的位置与峰值，分析在这个位置上出现峰值的原因，
对出现应力集中的位置与峰值的焊缝进行力学原理剖析，分析应力集中问题涉及到设计的因素，
对焊接接头载荷力流传的递路径进行研究，给出应力集中产生原因。
S300、给出设计方案对焊接接头应力进行集中缓解，包括：
依据焊接接头应力集中识别结果和焊接接头应力集中剖析结果，给出缓解应力集中的可行方案，所述可行性方案结合焊接工艺的可行性，或凭借关于接头几何的形状优化，或焊缝布局优化措施缓解设计应力集中，
基于结构应力法结合仿真计算，再次进行缓解应力集中后方案的应力集中校核。
分析给出方案对应力集中缓解效果是否满足要求，否则重新调整缓解应力集中方案，直至满足预期要求。
结构应力法为本设计方法体系提供理论支撑。本发明基于结构应力支撑的焊接接头设计理论体系，提出焊接接头三阶段式抗疲劳设计方法。本方法第一阶段是“应力集中识别”的执行；第二阶段是“应力集中剖析”的执行；第三阶段是“应力集中缓解”的执行。如图3所示
下面通过具体的应用实例，对上述焊接接头抗疲劳设计方法的方案和效果做进一步阐述。
实施例1
本实施例中主要利用本发明提供的设计方法进行空气压缩机法兰盘和管道连接处角焊缝的抗疲劳设计。
为证明刚度协调的在具体焊接部件设计中作用，在空气压缩机法兰盘和管道连接处角焊缝的抗疲劳设计中，每一组左侧接头的抗疲劳能力按照“刚度协调”原则对结构稍加改进后变成右侧结构后，接头抗疲劳能力显著提升。
第一阶段-焊接接头应力集中识别
材料的屈服强度为345MPa；外加载荷施加在左上法兰盘的四个螺钉孔处，每个螺栓孔的水平方向施加1500N的拉力；原结构与改进结构的位移约束施加在直径为160mm的下法兰盘的底面。计算模型中全部采用6面体单元建模。根据EN15085标准，设定了角焊缝尺寸，然后在角焊缝的焊趾处，定义了两条焊线，如图5所示。
根据本方法中前面给出的结构应力的基本计算流程，计算出焊缝各个节点的结构应力。
原结构的最大结构应力峰值(应力集中)为80.1MPa；原结构的最大结构应力峰值发生在焊线b的中间位置处。
第二阶段-焊接接头应力集中剖析
应力集中剖析：这是一个焊接接头的应力集中现象导致疲劳行为的典型案例，疲劳行为之所以出现较明显的应以集中，得出了一个原因：是因为压缩机上端的法兰盘和弯管之间的连接是通过一个应力集中系数很高的角焊缝实现的，这必然导致焊缝处会出现较高的应力集中现象，从而在使用过程中抗疲劳性能大大降低。
第三阶段-焊接接头应力集中缓解
根据第二阶段的剖析结果，结合设计标准中给出的缓解方案，给出提高疲劳强度的具体措施，这些措施包括：采用合理的结构形式以减少刚度的突变；优先选用对接焊缝、单边V形焊缝和K形焊缝，尽可能不用角焊缝；避免偏心搭接；使焊缝位于低应力区；开缓和槽使力线绕开应力集中等。给出本实施例的应力集中2种缓解方案，
第1种方案是，即角焊缝的接头改为对接焊缝的接头以后，在载荷作用方向上，焊接接头实现了如图6所示的几何形状的渐变，即实现了载荷作用方向上法兰盘与管道连接焊缝连接处刚度的协调，正是这种刚度协调，缓解了焊缝处的应力集中，而对接焊缝则是实现了刚度协调的焊接工艺要求。
第2种方案是，对第1种改进方案提出的直锥面接头再次进行微小改动，即将直锥面接头改为图7所示的弧锥面接头。
根据EN15085标准，设定了对接焊缝尺寸，然后在对接焊缝的焊趾处，定义了两条焊线。
根据本方法中前面给出的结构应力的基本计算流程，计算出焊缝各个节点的结构应力。
改进方案1(修改为直锥)的最大结构应力：48.3MPa；
改进方案2(修改为弧锥)的最大结构应力：41.0MPa；
事实上，从力学的角度观察，这当中应该还有一个更深层次的原因，即角焊缝的接头改为对接焊缝的接头以后，在载荷作用方向上，焊接接头实现了几何形状的渐变，即实现了载荷作用方向上法兰盘与管道连接焊缝连接处刚度的协调，正是这种刚度协调，缓解了焊缝处的应力集中，而对接焊缝则是实现了刚度协调的焊接工艺要求。
基于结构应力法，通过前文中结构应力计算流程，分别计算了角焊缝与对接焊缝焊趾上的结构应力，图8给出了焊缝上结构应力(应力集中)计算结果对比。从图8给出的对比结果中可以看出，角焊缝接头的最大结构应力(应力集中)为80.1MPa，改进为直锥面的对接接头焊缝上的最大结构应力(应力集中)为48.3MPa，下降了40％。将直锥面改为弧锥面以后，焊缝上最大结构应力(应力集中)为41.0MPa，下降了50％。因此，改进接头焊缝上的应力集中继续得到了缓解。从三组曲线的对比中可以发现，采用三阶段式焊接接头抗疲劳设计方法可有效的缓解焊缝处的应力集中现象，从而在源头上提升了该焊接结构的抗疲劳性能。
实施例2
本实施例中主要利用本发明提供的设计方法进行轨道车辆焊接构架某焊缝的抗疲劳设计。为了更好的证明抗疲劳设计新方法对工程产品上的应用效果,以某铁路货车焊接构架为例，在复杂焊接结构转向架构架的焊接设计中开展本方法的工程产品应用。转向架焊接构架焊接接头数量多且种类复杂，因此，以其为验证对象具有较好的说服力。在设计过程中构架上相关部件的布置与设计，既要考虑其自身的应力水平，又要考虑到局部结构刚度的协调性。在确保组焊部件强度的基础上，又要保证传力的协调，以便最大限度的降低应力集中现象。
第一阶段-焊接接头应力集中识别
如图9所示，基于结构应力法,对构架该部位焊缝进行应力集中识别，得到重点关注焊缝位置。图9构架上焊接吊座及在某工况下吊座与横梁间焊缝结构应力随焊缝长度的变化曲线，可以清晰看出该焊缝存在明显的应力集中现象。
第二阶段-焊接接头应力集中剖析
吊座和横梁间焊缝结构应力之所以出现较明显的应以集中，得出了一个原因：是因为横梁与吊座之间的连接是通过一个应力集中系数很高的环焊缝实现的，由于初始设计过渡圆角半径过小这必然导致焊缝在转角处会出现较高的应力集中现象，从而在使用过程中抗疲劳性能大大降低。
第三阶段-焊接接头应力集中缓解
根据第二阶段的应力集中产生原因，对构架应力集中区域及疲劳寿命薄弱焊缝区域进行了结构刚度协调设计，力求缓解横梁与吊座之间环焊缝转角处应力集中现象。图10构架上焊接吊座结构改动说明：吊座与横梁焊接处的弧形板周圈增加两排网格。修改后结构应力最大应力值下降16％。在吊座与横梁焊接处的弧形板周圈增加两排网格后，使得转角处圆弧曲率变大，降低力圆角处的应力集中程度，实现了刚度协调。
通过对构架局部焊接结构的刚度协调设计，达到局部区域焊缝应力集中程度的有效缓解，通过分析外载荷作用下构架主要焊接部件的传力路径，得到了位于传力路径上部件各方向的刚度不协调区域。研究结果表明，在焊接构架的设计过程中采用本方法会有效改善应力集中现象较好的缓解了应力集中程度，有利于提升结构的抗疲劳性能。
本方法提出了一种系统性的轨道车辆复杂焊接接头抗疲劳设计方案，即基于结构应力理论的三阶段递进执行法，使焊接接头良好疲劳行为的获得具有了可行性，并通过实施案例阐明了应力集中识别、应力集中剖析、应力集中缓解这三个阶段的执行路线。对习惯于静强度设计的工程技术人员，在对轨道车辆的复杂焊接接头进行疲劳强度设计时，提供一个新的设计方法支持。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、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 (4)

1.一种基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，其特征在于，包括：
S100、对焊接接头应力进行集中识别，得到应力集中发生的具体焊缝位置；
S200、对焊接接头应力进行集中剖析，获取应力集中产生原因，包括：
根据结构应力的计算确认的应力集中的位置与峰值，分析在这个位置上出现峰值的原因，
对出现应力集中的位置与峰值的焊缝进行力学原理剖析，分析应力集中问题涉及到设计的因素，
对焊接接头载荷力流传的递路径进行研究，给出应力集中产生原因；
S300、给出设计方案对焊接接头应力进行集中缓解，包括：
依据焊接接头应力集中识别结果和焊接接头应力集中剖析结果，给出缓解应力集中的可行方案，所述可行性方案结合焊接工艺的可行性，或凭借关于接头几何的形状优化，或焊缝布局优化措施缓解设计应力集中，
基于结构应力法结合仿真计算，再次进行缓解应力集中后方案的应力集中校核，
分析给出方案对应力集中缓解效果是否满足要求，否则重新调整缓解应力集中方案，直至满足预期要求。
2.根据权利要求1所述的基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，其特征在于，对焊接接头应力进行集中识别，得到应力集中发生的具体焊缝位置，包括：
S110、确定加载历史数据，所述加载历史数据应包括施加于构件的所有载荷与事件；
S120、进行有限元计算，形成有限元结果数据；
S130、定义焊缝节点及单元，检查单元属性、网格形式的设置是否满足结构应力计算要求；
S140、将有限元结果数据中的节点力和力矩转化为线力和线矩，生成结构应力计算参数，其中，所述线力为焊线处单位长度上的力，所述线矩为焊线处单位长度上力矩；
S150、对焊接接头位置进行膜应力与弯曲应力计算，并将所述膜应力与弯曲应力之和作为结构应力；
S160、分析其它因素对结构应力计算结果的过程的修正；
S170、绘制焊缝的结构应力曲线，给出结构应力峰值及峰值所在位置；
S180、保存结果。
3.根据权利要求2所述的基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，其特征在于，所述焊接接头位置的膜应力根据以下计算获得：
Figure FDA0003360376730000021
其中，σm为膜应力，t为板厚，fy为y轴方向单元边的线力，σx(y)为截面厚度上y方向的非线性应力。
4.根据权利要求2所述的基于结构应力的复杂焊接接头抗疲劳设计方法，其特征在于，所述焊接接头位置的弯曲应力根据以下计算获得：
Figure FDA0003360376730000022
其中，σb为弯曲应力，t为板厚，σx(y)为截面厚度上y方向的非线性应力，mx为焊接接头位置绕x轴的线力矩。
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