基于nCode的某铁路货车焊缝疲劳寿命评估
付典颐 赵金凤
中车齐齐哈尔车辆有限公司大连研发中心
摘要：随着科技的发展和日益增长的需求，铁路货运事业蓬勃发展，对铁路货车运行寿命的分析评估很有必要。本文以某铁路货车为例，基于AAR标准中的载荷谱和焊接接头形式，利用nCode软件进行焊缝疲劳分析，得到疲劳结果云图和寿命。
关键字：疲劳，铁路货车，AAR标准
为适应着重载运输技术发展,各种新型煤炭漏斗车的车辆轴重及运行速度等设计参数近年来不断提高,车体轻量化设计已成为主要发展趋势,而车体轻量化导致车辆关键部件的疲劳破坏问题日益突出,严重影响着铁路运输安全[1-2]。AAR 标准是美国铁路协会机务部门的推荐标准。该标准在新造货车的疲劳设计中提供了典型焊接接头SN曲线数据，还提供了多种货车车型实测载荷谱。当前AAR标准中给出了铁路货车设计制造疲劳评估的通用流程:首先,基于有限元的计算结果,提取垂向载荷、拉伸压缩等工况下车体各部位的应力,然后,结合标准中给出的载荷谱折算出关键部位的应力谱,最后,基于Miner线性损伤理论及S-N曲线计算关键部位的损伤或寿命[3]。本文对某铁路货车的实际工况进行分析，用HyperMesh软件和Siemens NX系统软件进行静力学分析，利用nCode疲劳分析软件对其进行了疲劳可靠性分析，确定了车辆容易发生疲劳破坏的位置和各节点的疲劳寿命，为该铁路货车的进一步结构优化设计提供了理论依据。
一、疲劳寿命理论
1.1 名义应力法
目前国际上对结构的疲劳评估方法主要有:名义应力法、热点应力法、断裂力学及主S-N曲线方法等方法。
名义应力法作为一种疲劳寿命估算方法，其估算的是裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命之和。它从材料的S-N曲线出发，以零构件关注点的名义应力为基本参数，同时考虑不同因素的影响,从而得出构件的S-N曲线，然后按照S-N曲线进行构件的疲劳设计[4]。由于名义应力法的应力获取相对容易,用于疲劳评估方便快捷,因此在铁路货车领域得到了广泛应用。名义应力法主要适用于最大载荷循环幅值低于材料和部件的屈服应力,即循环载荷频次高,应力幅值较小,部件处于弹性变形范围内,疲劳寿命高于104次的高周疲劳。
1.2 Miner线性损伤理论
Miner线性损伤理论认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的不断作用而产生损伤并不断积累造成的，疲劳损伤累积达到破坏时吸收的净功W与疲劳载荷的历史无关，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。设材料在某级应力下达到破坏时的应力循环次数为N1，经n1次应力循环而疲劳损伤吸收的净功为W1，根据Miner理论[5]有：
对m级加载情况，材料疲劳累积损伤可表示为:
式中，ni表示第i级应力水平下经过的应力循环数；Ni表示第i级应力水平下的达到破坏时的应力循环数；D为累积损伤。当D为1时，即认为被评估对象开始产生疲劳破坏。用Ni’表示某种损伤应力级时的循环数，Ni表示在该应力级时将导致损坏的循环数，则在下式情况时出现疲劳破坏：
当有m个载荷谱顺序或者同时起着作用时，以表示载荷谱k（k=1,2,3,……,m）下的寿命里程、Ly表示每年运行里程，据AAR机务标准，则车体寿命总里程LL和寿命LT为：
式中Lk可由下式计算得到：
二、有限元模型的建立
某铁路货运车辆主要由车体、制动装置、车钩缓冲装置及转向架等组成。其中，车体采用全钢焊接结构，主要由底架、侧墙、端墙、侧开门及下侧门等部分组成。将钢结构离散为四节点壳单元（Shell），单元长度25mm，共划分节点288392个，单元451363个，几何模型见图2.1，有限元模型见图2.2。材料属性见表2.1。
图2.1车体几何模型
图2.2车体有限元模型
三、车体疲劳分析
3.1 焊接接头类型的选取
AAR标准中给出了典型焊接接头类型和S-N曲线。部分接头类型如图3.1.1所示。本次对心盘位置焊缝进行疲劳寿命评估，故选取焊缝接头形式为7.4.1.30。将标准中的数据编入nCode软件中，生成S-N曲线，编辑完成的曲线如图3.1.2所示。
图3.1.1部分焊接接头类型和S-N曲线数据
图3.1.2标准7.4.1.30焊接接头S-N曲线
3.2 载荷谱处理
在AAR标准中找到与本文铁路货车相似的车体结构，选取载重为90.7t敞车的标准载荷谱，计算车体在垂向心盘载荷下的疲劳寿命。90.7t高边敞车重车心盘总垂向载荷谱有192个循环载荷，将每对循环载荷手动输入到nCode软件是一个工作量很大且繁琐的工作。使用编辑器可以一键将所有载荷编入.xml格式的文件中，nCode软件读取后即可进行疲劳分析，编译完成的载荷谱如图3.2.1所示。
图3.2.1 90.7t高边敞车重车心盘总垂向载荷谱
3.3 疲劳分析
AAR标准中90.7t 的高边敞车轴重为29.5t，本文计算的铁路货车轴重为23t，载荷谱换算系数为0.78。静力学分析时按惯性释放计算，在心盘上加载1kip的单位激励，得到的应力结果见图3.3.1。将应力结果输入到nCode软件中对心盘位置焊缝进行垂向载荷下的疲劳分析，与手算结果进行对比，验证编制后的载荷谱准确性。
图3.3.1垂向载荷下应力云图
图3.3.2 nCode疲劳分析结果
表3.3.1 nCode软件结果和手算结果对比
通过nCode软件分析结果和手算结果对比(表3.3.1)可以看出，软件分析结果比较准确，证明编辑器编制完成的载荷谱是准确的。使用编辑器可以大大缩短载荷谱编入nCode软件的时间，提高工作效率。
四、结论
本文依据AAR M-1001-2007《货车设计制造规范》第7章“货车的疲劳设计”中的评估标准，将90.7t 的高边敞车重车载荷谱编入nCode软件对某铁路货车进行疲劳寿命分析，通过nCode软件分析结果和手算结果对比验证编辑器编制完成的载荷谱的准确性。后续工作可以将所有载荷谱均编入nCode软件中，后续进行疲劳分析时直接调用所需的载荷谱即可。使用编辑器可以将载荷谱编入nCode软件，减少分析时间，提高工作效率，为车辆全节点寿命分析提供支持。
