摘 要：简要分析焊接缺陷及残余应力对城市轨道交通车辆车体承载结构的疲劳寿命影响
关键词：城市轨道交通车辆 焊接缺陷及残余应力 车体承载结构疲劳寿命
城市轨道交通车辆车体承载结构的疲劳破坏是结构在动载荷作用下，其内部产生持续变化的动应力，当动应力累积作用超过结构疲劳极限时，结构发生疲劳破坏。具体的工程结构疲劳破坏涉及到的影响因素很多，但归纳起来不外乎结构动力学和材料疲劳强度两大领域，本文仅从焊接缺陷及残余应力两方面，利用模拟承载结构裂纹试验，对城市轨道交通车辆车体承载结构的疲劳寿命影响进行分析。
焊接缺陷通常分为面缺陷和体缺陷两类。面缺陷位于焊接接头表面,用肉眼或低倍放大镜即可观察到,具体有咬边、焊瘤、未熔合、表面裂纹等。体缺陷位于焊接接头内部,这些缺陷需用无损探伤方法或破坏性试验才能发现,具体有未焊透、孔隙、气孔、夹渣、裂纹等。焊接结构疲劳工程分析中对焊接缺陷的处理主要是两种方法。一是在通过疲劳试验建立典型焊接接头疲劳强度S-N 曲线中予以一定考虑;另一种方式是确定剩余疲劳寿命（S-N 曲线）作为独立因素参与寿命评价。
我们在模拟承载结构裂纹试验中采用第2种方式，即将缺陷作为独立因素评价结构寿命，这类体缺陷属细部结构内部的几何不连续，在力学上是局部结构刚度的某些突变造成应力集中，这往往是疲劳裂纹产生或扩展的最初部位。国内外在焊接缺陷对应力影响方面进行了大量研究，研究结果表明焊接缺陷对焊接结构强度影响与缺陷种类、尺寸、方向和位置等密切相关，因此可以通过数值仿真技术进行预测。通过仿真计算对几何缺欠造成应力放大系数进行确定，不仅讨论焊接缺陷在静力学中对结构应力的影响，而且也进行了动力学仿真，分析焊接缺陷对局部动应力的影响，得出放大系数。
以城市轨道交通车辆车体承载结构的T 型焊接接头为研究对象，根据承载结构设定T 型结构，并假定其内部缺欠（焊跟部位），模拟实际载荷的量级施加弯矩，通过带有2种不同焊接缺陷铝合金T 型接头的静力学和动力学仿真，获得焊接缺陷对焊缝附近应力数值，分析焊接缺陷对应力的影响。静力学和动力学分析焊接缺陷对结构应力影响时，焊接缺陷附近出现应力最大值点比较吻合，应力放大系数约为1.2。
为了量化焊接缺陷对结构疲劳寿命的影响，我们首先确认两种情况。情况1：实际产生裂纹的部位有缺陷存在，孔洞直径为1mm时应力放大系数取1.2，同时考虑残余应力、焊接区抗疲劳能力下降等所有影响因素的情况下，结构实际寿命为100万公里（10年）；情况2：在其他条件保持情况1的状态下，只将应力放大系数取1.0。
认为通过改善焊接质量，使焊接缺陷水平达到IIW 标准的要求，就是说此时没有超出标准的缺陷存在。
对上述的两种情况分别进行疲劳寿命估算，情况2的寿命一定大于情况1的寿命，二者的寿命之差就是超标准缺陷的影响。以此为参照，可以大致推测缺陷对此类焊接结构疲劳寿命的影响。
目前结构疲劳评估领域，对于疲劳寿命评估中的平均应力的作用有两种观点，一种认为结构疲劳只与结构动应力的幅值相关，平均应力不太起作用；另一种则认为平均应力对疲劳是有贡献的，特别是平均应力较大时应参与疲劳评价。我们在模拟承载结构裂纹试验试验中设置残余应力值远大于实际应力幅值。因此，采用带有平均应力因素的疲劳评估方法进行本次疲劳分析，同时量化残余应力对疲劳寿命的影响。
残余应力是一组作用在结构不同部位，其存在独立于外部载荷的局部自平衡力系,各种制造工艺，如铸造、锻造、轧制、挤压及焊接等均可在产品内部产生残余应力,其中焊接工艺尤其突出。在焊接结构中,通常存在有两类形式的残余应力，一是由结构装配条件及工艺引起的呈总体分布的拘束应力系统;二是由焊接工艺本身引起的在结构焊缝接头局部区域分布的焊接残余应力系统，一般并不严格区分这两种应力系统,而统称为残余应力。对于动态承载部件,应重点关注焊缝接头局部应力集中区的残余应力分布及水平。理论分析和试验研究均表明,实际结构焊缝危险部位往往存在达到或接近母材屈服强度的残余拉应力,故对疲劳强度具有较大不利影响。残余应力影响因素复杂难以控制，可以通过测试得到最终状态值。
综上所述，根据试验数据测定模拟承载结构裂纹试验发生处的结构残余应力为140MPa，考虑到不利状态，将其与车体结构静应力值叠加作为平均应力（脉动应力的平均值），进行带有平均应力的疲劳寿命评估计算，并讨论对疲劳寿命的影响程度。
为了量化焊接残余应力对结构疲劳寿命的影响，我们首先确认两种情况。情况1：实际产生裂纹的部位有残余应力存在，应力为140MPa，这个情况下结构实际寿命为100万公里（10年）；情况2：在其他条件不变的状态下，认为残余应力（超出标准的）分别为0 MPa 和70 MPa。残余应力0 MPa，是认为通过改善焊接质量，使其达到IIW 标准的要求，为完全理想状态；残余应力70 MPa，是认为焊接质量没有完全达到IIW 标准，但是由于优于裂纹发生处的实际状态，残余应力按50%减小。
对上述的两种情况分别进行疲劳寿命估算，情况2的寿命一定大于情况 1的寿命二者的寿命之差就是量化的残余应力影响。以此为参照，可以大致推测残余应力对此类焊接结构疲劳寿命的影响。
作者简介：
李颖：中车长春轨道客车股份公司国家轨道客车工程研究中心车体研发部，系统工程师，高级工程师，吉林长春 130062