基于IIW标准的提速客车转向架焊接构架疲劳寿命预测

考虑了低于疲劳极限的小载荷应力范围对累积损伤的
贡献，这一点符合我国铁路机车车辆转向架焊接构架
的情况. 因为根据实测构架应力分布特征表明，车辆运
行过程中构架上的大应力循环较小，小应力循环所占
的比例较大，因此，小应力循环对构架疲劳损伤的贡献
是不能忽略的.
该标准疲劳寿命评估时首先要基于焊接接头的初
始信息，定义并确定在疲劳评估中适用的应力类别，并
大连铁道学院学报
第 27 卷
1 IIW 标准与焊接结构的疲劳寿命预测
最近的研究成果表明［2］，由于在焊接过程结构焊缝及其附近存有达到或接近屈服点的残余应力，
不管外加动应力的循环特性如何，焊缝附近的实际循环应力是从母材的屈服应力向下摆动. 例如，标称
应力为 ! !1 到 " !2 ，则其应力范围为 !1 ! !2 # 但接头中的实际应力循环范围将由 !（$ 达到屈服点的应 力幅值）到 !$ "（ !1 ! !2 ）. 这说明，实际应力范围和与其相关的疲劳循环次数、疲劳强度主要与施加应 力范围有关，而最大、最小循环应力值以及应力循环特性对它的影响较小. 这一点在研究焊接接头疲劳
格模型要划分的简单和粗糙一些，确保把所有对应力增加有影响
的焊接接头结构细节都排除掉. 当测量标称应力的时候，应变片
必须贴在由焊接接头产生的应力集中区域之外，以排除应力集中
的影响.
几何应力是指焊缝接头焊缝焊趾处的非线性尖峰应力，它包
括所有由具体的结构细节引起的应力增加，但不包括所有的由焊
接引起的集中应力. 当采用测试的方法获得几何应力时，一般要
XIE Su-ming，SHI Hui-zhuo，LI Ya-na，ZHAO Wen-zhong
（ Schooi of Mechanicai Engineering，Daiian Jiaotong University，Daiian 116028）
Abstract：Based on weid joint S-N curves provided by IIW standard and dynamic stress spectrum tested on iine，fatigue iife prediction for weid frame of speed-up bogie is conducted. The comparation between anaiysis and test resuits shows that the fatigue prediction method is vaiuabie. Key words：bogie；weided frame；fatigue iifes
确定了此次疲劳寿命预测的部位. 将这些部位的结构 细部与 IIW 中提供的结构细部对比，选择评估点的疲 劳强度级别和相关的 S-N 曲线参数，详见表 1. 利用 IIW 标准对提速转向架焊接构架（ 参见图 4）疲劳寿命 预测结果见表 1.
强度时是非常重要的，这意味着焊接接头的疲劳性能用应力范围概念表述是科学的.
由于焊接结构的疲劳寿命预测不仅要面对非焊接结构必须面对的一般性困难，而且还要面对焊接
工艺本身所导致的特有的困难. 归纳起来，焊接结构疲劳寿命预测的难点在于：焊接过程的多学科属性
导致难于从理论上创建求解模型；焊接过程的复杂性导致焊接缺陷难于实施有效控制；焊接缺陷的离散
口应力的疲劳强度.
标称应力是指焊接接头焊缝附近的平均应力，它可通过计算和测试获得. 对于简单的结构，在线弹
性范围内，可以通过材料力学的方法计算标称应力，但由于宏观几何状态和施力点处的应力可显著影响
横截面的膜应力重新分布，所以，要对由该理论计算的应力进行
修正；对于复杂的结构，要用有限元方法来计算，此时有限元的网
在距焊角一定距离处粘贴 2 到 3 个应变片，但在选定该距离时要
排除焊趾缺口的任何影响（ 它一般产生非线性峰值应力），然后，
由应变片测量值外推得到焊趾处的几何应力（ 参见图 2）；当用计
图 2 几何应力的定义和测量示意 算方法求几何应力时，由于理论方法难于分析结构的不连续性和
第3 期
谢素明等：基于 IIW 标准的提速客车转向架焊接构架疲劳寿命预测
（1）去掉应力 - 时间历程数据中非正常信号，即通常的去掉毛刺（ Spike removal）；所谓非正常信号 就是数据高出相邻信号的几倍. 去掉毛刺的方法有统计法和振幅法，统计法适用于整体信号没有明显的 突变的情况；振幅法则适用于整体信号变化明显的情况；
（2）经快速傅立叶变换，获得频谱内的信号，通过选择合适的 Hanning 窗，可以很清楚的发现干扰频 率，然后以干扰频率确定为截止频率并进行低通滤波；
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的疲劳级别（ FAT）及相关参数； （5）根据 Palmgren-miner 法则计算损伤比累积； （6）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数，求出寿命（ 里程）. 由于疲劳寿命预测在很大程度上取决于动应力谱的原因，因此动应力谱的编制极其重要. 本次计算
采用英国 Ncoce 公司的 FE-FATIGUE 软件对提速转向架焊接构架在某线路上连续实测的动应力（ 标称 应力）原始数据进行分析处理，每一通道数据动应力编谱过程如下：
转向架焊接构架进行了疲劳寿命预测. 预测结果与疲劳试验机的试验结果对比表明，基于 IIW 的疲劳寿
命预测方法有推广价值.
关键词：转向架，焊接构架，疲劳寿命
中图分类号：U260. 331
文献标识码：A
Fatigue Life Prediction for Weld Frame of Speed-up Bogie Based on IIW Standard
谢素明，时慧焯，李娅娜，兆文忠
（ 大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）!
摘 要：基于线路动应力测试得到的动应力谱，考虑焊接结构的特殊性，以国际焊接学会 IIW 标准中疲
劳设计规范提供的焊接接头 S-N 曲线数据库为依据，利用 Paimgren-Miner 累积损伤法则，对某提速客车
到稳定的等效缺口应力. 等效缺口可以用有限元方法或边界元方法进行计算，因为等效缺口半径是一理
想值，因此，该数值不能在焊缝构件中直接测量.
由于标称应力易于获得，所以在 IIW 标准给出的 80 种钢结构和 57 种铝合金焊接接头的数据中，主
要是基于标称应力范围的 S-N 曲线，和很少量的且主要用于管形接头的基于几何应力范围的 S-N 曲线，
计算和测量出有关应力范围；然后再根据该应力类别
选择相应的疲劳强度类别. 应力类别分为标称应力 （ 或称为名义应力）、几何应力（ 或称为热点应力）和等
图 1 IIW 标准中典型的双斜率 S-N 曲线
效缺口应力；疲劳强度类别分为有基于标称应力范围的 S-N 曲线表征出的结构中疲劳强度、基于几何应
力范围的 S-N 曲线表征的抗几何应力的疲劳强度、基于等效缺口应力范围的 S-N 曲线表征的抗等效缺
本文首先介绍了 IIW 标准，并证明它适用于提速客车转向架焊接构架疲劳寿命的预测且给出了预 测的技术路线，然后，依据 IIW 标准中提供的焊接接头疲劳性能参数，为焊接构架危险部位的焊接接头 提供了改进方案.
! 收稿日期：2006- 03-12 作者简介：谢素明（1965 - ），女，教授，博士.
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以疲劳强度来给出温度上升后的疲劳强度，但对机车车辆焊接结构而言，工作温度较低，不必修正；尽管
当焊接接头残余应力被释放后，焊接接头的疲劳强度应当提高且提高程度与应力循环特性相关，但对于
复杂的二、三维构件、高残余应力构件、厚壁构件，均不要修正. 同时由于残余应力的释放很难彻底，在实
际工程问题中，各种焊接接头装配后也可能导致相当长时间驻留的残余应力，因此，仅在极其特殊的情
（3）对滤波后的应力 - 时间历程采用雨流计数法 编制成用于结构疲劳寿命分析的动应力谱. 由于焊接 接头的疲劳性能用应力范围表述，所以编制的动应力 谱中应力等级是应力范围等级. 图 3 给出了一测试数 据进行动应力编谱的全过程.
在 IIW 标准中，焊接结构的疲劳寿命依赖于结构 内部各焊接接头的疲劳强度. 通过对每一通道动应力 谱的分析和贴片布点处的焊接结构形状疲劳性能等级
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结构细节的应力，所以，普遍采用有限元方法来计算几何应力，但在有限元网格划分的时候，要求靠近热
点的网格形状必须足够好.
等效缺口应力是指在假定材料为线弹性条件下，作用在缺口根部的整体应力，基本思路是将焊趾或
焊根当作缺口来处理. 大量研究表明：如果将不规则缺口形状用半径为 l mm 的等效缺口代替，则可得

仅只有一条基于等效缺口应力范围的 S-N 曲线.
IIW 标准中，采用 Palmgren-miner 法则进行累积损伤计算，即
" D =
i
Ii Ni
#l
（l）
式中，Ii 表示载荷谱中应力范围为 !"i 的循环次数，Ni 表示在该应力范围时将导致损坏的循环总数.
由评估点焊接接头的 S-N 曲线，得
{ Ni =
Cl （/ !"i ）m
（ !"i > !"l
C2 （/ !"i ）m+2 （ !"l # !"i # !"2 ）
（2）
式中，!"l 和 !"2 为评估点的 S-N 曲线拐点；Cl 和 C2 为常系数. 则寿命总里程 Lf 为
" Lf =
l Ii / lr i Ni
（3）
式中，lr 为实测动应力或载荷谱的里程.
第 27 卷 第 3 期 2006 年 9 月
大连铁道学院学报 JOURNAL OF DALIAN RAILWAY INSTITUTE
文章编号：1000- 1670（2006）03- 0017- 05