基于等效结构应力的铝合金地铁车体疲劳寿命预测

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1、基于等效结构应力的铝合金地铁车体疲劳寿命预测摘要：为评估某铝合金地铁车辆的疲劳寿命，采用美国ASME标准中的网格不敏感的主SN曲线法对该车焊缝进行疲劳寿命预测.用HyperMesh对车体进行有限元建模，并对焊缝处网格细化；用ANSYS计算焊缝处应力；运用自主开发的FEWeld软件对其进行等效结构应力的计算和疲劳寿命的预测；对疲劳寿命不符合设计要求的结构进行改进和优化，改进后结构的疲劳寿命符合设计要求.网格不敏感的主SN曲线法具有重要工程应用推广价值.关键词：地铁；焊缝建模；疲劳寿命预测；有限元；

2、等效结构应力法；ASME标准；主SN曲线；铝合金焊接结构中图分类号：U270.2；TB115.1文献标志码：BAbstract：Toevaluatethefatiguelifeofanaluminumsubwayvehicle，theweldlinefatiguelifeofthevehicleispredictedbythemeshinsensitivemasterSNmethodinASMEstandardoftheUnitedStates.Thefiniteelementmodelofth

3、ecarbodyisbuiltbyHyperMeshandthemeshofweldlinesisrefined；thestressnearweldlinesiscalculatedby8ANSYS；bytheselfdevelopedsoftwareFEWeld，theequivalentstructuralstressiscalculatedandthefatiguelifeiscalculated；thestructureswherethefatiguelifecannotmeetthed

4、esignrequirementsareimprovedandoptimized，andthefatiguelifeoftheimprovedstructuremeetsthedesignrequirements.ThemeshinsensitivemasterSNcurvemethodhasgreatpromotionvalueonengineeringapplication.Keywords：subway；weldlinemodeling；fatiguelifeprediction；fini

5、teelement；equivalentstressmethod；ASMEstandard；masterSNcurve；aluminumweldedstructure引言8轨道车辆车体由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室等几部分组成，一个合格的车体不仅要满足强度和稳定性的要求，疲劳寿命也是重要指标之一.近几年来，城市轨道疲劳失效事故时有发生，不仅影响旅客安全，还造成经济损失.车体疲劳是一种车体焊接结构发生损伤的过程，在这个过程中，在循环载荷的作用下，即使应力低于材料的屈服极限，车体也会出现疲劳裂纹.

6、一般来说，焊接接头是车体结构发生疲劳破坏的薄弱环节，因此对车体结构进行疲劳评估主要是对焊接接头进行疲劳寿命评估.随着高速列车和轻轨、地铁的发展，列车的高速化和轻量化等课题越来越受到重视.铝合金材料具有质量轻，屈服强度和抗拉强度高，耐腐蚀，以及加工性能好等优点，逐渐被广泛应用于客车车体.铝合金车体的主要特点包括：（1）大幅降低车体质量，同等条件大约是普通钢质车的30%～35%；（2）铝合金车体由大断面铝合金中空挤压型材整体焊接而成，使由底架、侧墙、端墙、车顶和司机室等组成的车体能够承受横向、纵向、

7、垂向和扭转等载荷.本文以某铝合金轨道车辆头车为载体，对其进行有限元建模，参考EN126631：2010标准[1]，基于ANSYS和自主开发的FEWeld软件，计算车体在对称载荷作用下的疲劳寿命，并比较2种方案的分析结果.结果表明：改进结构使焊缝形状更圆滑，减少应力集中的影响，可以增加车体的疲劳寿命.1结构应力法结构应力法，又称主SN曲线法、Verity方法或网格不敏感的结构应力法.[2]该方法是美国新奥尔良大学DONGPingsha博士基于断裂力学原理及大量焊接疲劳试验发明的计算焊缝疲劳寿命的最

8、新的最准确的方法.该方法采用网格不敏感的结构应力计算方法及其主SN曲线模型，可以相对准确地计算出空间任意走向的焊缝的疲劳寿命.[34]81.1结构应力由于焊接接头的疲劳裂纹一般发生在焊趾处，所以研究焊趾处的应力组成极其重要.焊趾处应力由焊接引起的残余应力和远端外力引起的结构应力2部分组成.残余应力在焊缝处为自平衡力，且在结构运行过程中幅值不变，所以对结构疲劳无明显作用，而结构应力因为存在交变作用，所以是产生疲劳破坏的主要因素.[5]厚度为t的板焊趾处的结构应力分布见图1（a），将结构应力简化为弯