中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心 长春 130062
摘要：在地铁车辆不锈钢车体疲劳评估研究中，对焊缝的疲劳评估已经是国内车辆制造企业的一项重要工作，而国外已经建立了较为成熟的研究体系。为此文章基于不锈钢车体的研发生产过程，分析阐述了疲劳中最为关键弧焊缝的疲劳机理；对比分析了BS7608和IIW标准焊缝疲劳评估方法，文章的相关描述与结论可为进一步研究车体疲劳问题的同行提供参考.
关键词：地铁车辆 疲劳评估 弧焊焊接 车体设计
轨道车辆设计过程中广泛采用不锈钢车体，为此，本文阐述了车体疲劳中最为关键的弧焊缝的疲劳机理；对比分析了BS7608和IIW标准中焊缝疲劳评估方法，并依据标准解释接头类型对应工程应用的评估数据,文章内容可以为同行进一步研究车体焊缝的疲劳问题提供参考。
1 弧焊接头型式与疲劳现象
1.1不锈钢车体弧焊典型接头
国内外大部分车体不锈钢车体焊缝接头分为角型焊透焊缝、角型非焊透焊缝、Y型坡口焊缝、V型坡口焊缝、单面对焊焊缝、双面对焊焊缝及复合焊缝等，其位置主要集中在端底架部位，其焊接母材主要是高强度碳钢板，对于这些部位的弧焊焊接疲劳机理和评估是车体评估的重要部分。
1.2 车体弧焊焊缝疲劳
车体属于承受高静载荷及高周循环应力的大型焊接结构，其寿命周期内的疲劳破坏主要发生在焊接接头位置。任意焊接接头遵循的疲劳失效模式，可以通过数学模型分析得到，包括裂纹的起始点及裂纹扩展的方向[1]。
在焊趾处，应用两个特定位置的应力，如0.4t和1t处的应力进行焊趾处线性外推，从而提取焊趾处的热点应力，见图1。
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图1 焊趾应力热点示意
2 疲劳评估方法探讨
2.1 国际焊接学会（IIW标准）疲劳评估方法
根据S-N曲线，断面开裂主要由疲劳失效引起，S-N曲线的表达方式具有如下形式[1]：
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图2 不同接头型式的S-N曲线
下表举例了常见的焊接接头的疲劳极限，每一种疲劳极限对应图2中相应的S-N曲线，设计过程中可用此评估FEA疲劳计算结果 [1]。
2.2 英国（BS7608标准）疲劳评估方法
对弧焊焊接接头进行疲劳评估，关键在于选择S-N曲线，根据几何形状和载荷属性，对应的S-N曲线有相当大的差异[2]。均值S-N曲线见图3.两种焊接接头对应的S-N曲线等级，见表3。
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图3 不同接头型式的S-N曲线
2.3 IIW 与BS7608疲劳评估方法共性及异同点
（1）共性分析
a.分析基础均为损伤累积理论，寿命计算本质相同；
b. 应用性强，接头型式丰富，均适用于焊接结构的疲劳寿命评估及预测。
（2） 异同分析
a. BS7608标准适用钢结构，包括焊接接头及螺栓连接接头，IIW适用钢结构和铝结构。
b. BS7608将焊接接头分10级，每一级别包含S-N曲线及工艺生产要求，侧重工程应用；但IIW对焊接接头的型式研究的更为详细，试验数据多于BS7608，且考虑到裂纹扩展。
（3）应用时一般根据具体的焊接接头型式及设计要求选择评估标准。
3 结论
文章分析了车体焊缝、焊点的疲劳机理与评估方法,其设计结构基于目前国内外广泛使用的EN15085标准[3]，对于焊缝的评估主要是得出设计的焊接接头形式和受力能否满足疲劳极限的要求，第一步骤是确定焊接的接头和焊缝的受力方向，对于采用FEA方法的模拟出的力值，需要考虑方向应力和合成应力；第二部是确定评估的疲劳极限，根据BS7608和IIW标准的结合情况，确定这个数值；第三步是如何通过优化焊缝的接头和结构优化提高抗疲劳能力，如接头型式更改仍然无法满足要求，则应该局部优化结构，因此在方案设计阶段应对焊缝进行初步估算，在详细设计阶段，应根据不同的车体设计工况，对接头对焊缝进行评估，特别是焊接质量级别高的焊缝和关键焊缝[3]。
参考文献
[1]A. Hobbacher Chairman of IIW Joint Working Group XIII-XV, “Recommendations For Fatigue Design Of Welded Joints And Components”[M], IIW document IIW-1823-07 ex XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07, 2008.
[2]British Standard “Code of practice for Fatigue design and assessment of steel structures”[S], BS 7608 Incorporating Amendment No. 1, 1993.
[3]BS EN “15085-3-2007 Railway applications —Welding of railway vehicles and components”,[S] ,Part 3-Design requirements,2007.
作者简介
刘洪涛（1982年），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事车辆车体和总体技术的研发和应用。