基于英国标准 BS7608 的不锈钢车体焊缝疲劳评估
作者
摘 要：根据某不锈钢地铁设计规范，依据 EN12663-1：2010 标准对中间车车体结构进行了疲劳工况有限元计算，采用 BS 7608 标准和损伤累积法对焊缝进行了评估，结果表明该车体结构焊缝满足 107 循环周次疲劳寿命的要求。
关键词：BS 7608；不锈钢车体；焊缝疲劳
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.01.096
近 20 年来，随着经济的快速发展，城市公共交通的压力逐渐增大。为解决这一问题，各大城市都在大力发展城市轨道交通系统。地铁是城市轨道交通的骨干运输形式，截至 2017 年底，中国共有 35 个城市运营地铁线路。不锈钢车辆作为地铁类型之一，其应用具有广阔的市场前景。
不锈钢车体具有高强质轻、防火性和耐腐蚀性强等优点；相较于铝合金车，更有免涂装和少维护等优点，因而受到地铁运营公司的欢迎。
1 车体 FEM 模型
本文分析对象为某 A 型不锈钢地铁车体中间车车体结构。车体长度 21880mm，最大宽度 2890mm。车体结构主要由底架、侧墙、车顶和端墙组成。
有限元建模采用 HyperMesh，计算分析采用 Optistruct。不锈钢地铁车体为板壳结构，因此主要采用壳单元，部分厚板结构采用实体单元。点焊焊点采用 Optistuct 专属 cweld 单元。网格平均尺寸 15-20mm，部分区域局部细化，尺寸约 10mm。由于车体结构具有对称性，仅进行半车建模，共有 75 万单元和 79 万节点，如图 1 所示。
2 计算工况和评定标准
依据 BS EN 12663-1：2010 标准和项目的技术规范，应在车体定员载荷条件下计算共 4 个疲劳工况，如表 1 所示。每个疲劳工况应满足 107 循环周次的疲劳寿命。采用 BS 7608： 2014 标准和累积损伤法对车体焊缝疲劳强度进行评估。
此外，该标准还规定某些焊接接头可通过 TIG 重熔或焊趾打磨等技术改善焊接质量从而提高焊接接头的疲劳极限，其数值可达到原来的 1.5 倍。
3 结果分析
基于篇幅限制，本文仅选取 2 处典型危险焊缝进行疲劳分析。
3.1 三号门门下角焊缝
根据 BS 7608，三号门门下角焊缝属于 F 级，在 1000 万循环次数下的疲劳极限值为 40MPa。焊趾打磨后，疲劳极限值为 60MPa。应力云图见图 3，计算结果见表 2。该焊缝疲劳损伤总计 0.82，满足要求。
3.2 四号门门下角与门立柱垂直焊缝
根据 BS 7608，四号门门下角与门立柱垂直焊缝属于 F2 级，在 1000 万循环次数下的疲劳极限值为 35MPa。焊趾打磨后，疲劳极限值为 52.5MPa。应力云图见图 4，计算结果见表 3。该焊缝疲劳损伤总计 0.54，满足要求。
4 结论
采用英国标准 BS 7608 对不锈钢车体结构的 2 处典型危险焊缝进行了疲劳等级判定，并采用累积损伤法计算了疲劳损伤值，结果表明该不锈钢车体结构焊缝满足要求。
参考文献
[1]程海鹏.地铁车辆不锈钢车体发展概况[J].中小企业管理与科技，2017，（6）：146-147.
[2]顾保南.1997-2017 年中国城市轨道交通发展统计分析[J].城市轨道交通研究，2018，（5）：85-89.
[3]刘新武.地铁不锈钢车体侧墙焊点拓扑优化[J].焊接技术，2018，（8）： 98-101.
[4]王雪芳.城轨车辆不锈钢车体制造技术研究[J].电力机车与城轨车辆，2012，（3）：76-78.
[5]BS 7608： 2014 Guide to fatigue design and assessmentof steel products[S].British：BSI，2014.
[6]谢素明.基于英国标准的碳钢客车车体结构疲劳寿命评估[J].大连交通大学学报，2019，（2）：29-32.
作者 刘志盛 赵思聪