孙泽
中车长春轨道客车股份有限公司 长春 130062
摘要：基于ANSYS 软件建立了高速市域地铁车辆车体结构有限元模型，分析了车体结构在3中疲劳工况下的应力情况，确定疲劳热点部位。采用表面外推热点应力法计算车体结构焊址处热点应力值，对车体结构的疲劳强度和使用寿命进行评价。根据计算结果，提出优化方案，最终车体结构疲劳强度满足要求。
关键词：市域车辆 车体结构 疲劳分析 热点应力
长期以来，在不同工业领域中钢结构焊接接头机部件细节的疲劳设计和强度评定主要采用基于材料力学的应力分析和大量疲劳试验数据为基础的S-N曲线相结合的名义应力法。但由于实际焊接结构几何形状和受力状态的复杂性，很难从有限元中获得实际的名义应力。为弥补名义应力法的不足，一种主要针对结构焊趾处疲劳的局部分析方法，首先在海上结构焊接管接头中得到成熟应用。在20世纪90年代初，热点应力法相继延伸到各相关领域中更常见的板件焊接结构的焊趾疲劳性能分析中。当前，国际上对于焊接板结构的热点应力法评定的理论，试验研究及实际工程应用得到了广泛发展，形成的热点应力分析方法及经试验确定的通用疲劳强度S-N曲线能可靠地应用于实际结构的疲劳分析中，并得到满意精度的评定结果。本文将基于热点应力法对焊接板结构的疲劳强度进行分析，对市域轨道车辆车体结构的疲劳强度进行评估和寿命进行预测，确保车体结构在整个服役寿命周期间的可靠耐久使用具有较为现实的应用价值。
1 车体结构设计
车体结构是轨道车辆的主要承载结构，在车辆中是重要组成部件，其主要结构是由梁、柱、及板材拼焊而成。高速地铁车辆车体结构主要由车顶，底架，端墙，侧墙和司机室骨架组成。各大部件之间采用弧焊焊接的连接方式。车体结构的材料的选择，需要根据不同部件的承载特点以及材料的力学性能确定。承载重要的端部底架结构和枕梁结构选用高强度碳钢材料。其余部位主要采用奥氏体不锈钢材料。车体结构在运营中承受不同程度下的循环载荷，车体结构的疲劳强度分析很是关键。
2 热点应力及外推法
热点应力是指最大结构应力或结构中危险截面上危险点的应力。对于焊接接头，结构应力为紧靠焊趾缺口前沿的未经考虑缺口效应而计算出的局部应力，因其大小受到构件及接头整体几何尺寸和载荷参量的影响，故也成为几何应力。结构或几何应力在焊趾表面部位达到最大值，即为热点应力，焊接结构中常取焊趾为热点，因其实最容易发生疲劳破坏的部位。焊接接头的热点应力可通过有限元和线性外推相结合的方式获得，也可通过构件焊趾处的名义应力与相应的结构应力集中系数获得。对于受力较为复杂的结构，后一种方法很难实现对焊趾处热点应力的求解，因此，本文采用热点应力的线性外推法。
焊接板结构中，热点应力是用距离焊趾“足够距离”处两点或三点的表面结构应力外推得到。“足够距离”是指在这一距离处缺口效应不再发生影响，结构应力基本成线性分布。外推点的确定对于正确运用表面外推热点应力法至关重要。外推点位置一定要距离焊趾足够近，以保证能捕捉到结构应力集中，同时又要避开非线性应力峰值的影响，一般距离大于4mm。目前广泛应用的外推法为两点线性外推，在距离焊趾0.4t（t为板厚）和1.0t处测量应力值，按相应公式计算。此方法适用于较为精细的网格单元。对于相对粗的10mmX10mm二阶单元网格，要在距离焊趾5mm和15mm处测量应力值，并按相应公式进行计算。本文采用的是粗网格对应的外推热点应力计算方法。
3 车体结构疲劳强度分析
将在三维软件建立好的车体结构模型导入有限元软件，利HYPERWORKS软件处理仿真分析模型，并运用ANSYS软件进行有限元仿真分析。结合国内外学者对热点应力分析的方法的总结和研究，对基于有限元分析的热点应力建模方法建议如下，热点应力计算使用线弹性材料特性。并推荐使用以下两种有限元模型，板科有限元模型，一般不对焊缝进行建模。第二种为三维实体有限元模型，通常对焊缝进行简单建模。
依据EN12663标准，确定需要分析的三个疲劳工况。工况1横向加速度0.3g，工况2纵向加速度0.3g和工况3垂向加速度0.3g。
计算结果表明，应力较大位置位于门口两侧侧墙和底架连接位置处的焊缝。通过测量5mm和10mm处的应力，利用公式计算得到，位于端部门口的下门角焊缝连接处，在工况1下，热点应力值为33.6MPa。在工况2下，热点应力为1.4MPa。在工况3下，热点应力为28 .3MPa。应用累积损伤计算公式得到三种工况下的累积损伤值，并进行相加得到该位置疲劳强度累积损伤值为0.298，小于1，满足要求。
另一处较大疲劳应力位于一位端第一个窗口的门立柱和底架连接处。同样，依据上述计算方法，得到在工况1下，热点应力值为35.3MPa。在工况2下，热点应力为0.1MPa。在工况3下，热点应力为15.4MPa。应用累积损伤计算公式得到三种工况下的累积损伤值，并进行相加得到该位置疲劳强度累积损伤值为0.297，小于1，满足要求。
4总结
热点应力法研究结果主要来源于船舶及其他海洋领域，但由于结构的相似性，都主要为板梁焊接结构，因此这些研究结果在轨道车辆行业同样适用。
基于有限元分析的热点应力方法，模拟计算了车体结构在3中工况下的应力情况，对车体结构的疲劳强度和寿命进行评估。应用表面外推热点应力方法计算等效的热点应力，得到关键焊缝处的热点应力，确定了车体结构的疲劳强度和使用寿命满足要求。
参考文献
[1] 王斌杰，李强，刘志明，等.轨道车辆焊接接头热点应力计算研究[J].铁道学报，2011，33（11）.
[2] 张开林.基于热点应力法的转向架构架疲劳寿命工程评定方法[J].机车电传动，2006（5）.