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摘要：采用DVS 1612标准对公铁两用车车架的焊缝疲劳强度进行评估，通过仿真结果显示，对接焊缝的疲劳强度安全余量较大，角焊缝的疲劳强度相对合理。综合评估得出，车架整体的结构设计相对保守，在后续设计过程中应尽量采用全熔透对接焊缝，这样对车架的轻量化还有较大的提升空间，也对后续车型的结构优化具有重要的参考意义。
关键词：疲劳强度;公铁两用车;车架;焊缝
前言
公铁两用车是一种既能在轨道上运行，又能在一般公路上运行的车辆，通常用于铁路上的车辆牵引、轨道清扫、高空作业、接触网维修等工作。公铁两用车车架是车体系统的重要组成部分，是车辆走行系统、牵引系统、制动系统、电气系统、液压系统的安装基础，并承载和传递车辆运行过程中的垂向、横向和纵向的各种交变载荷。
在车辆实际运行过程中，由于焊缝的疲劳强度远远低于母材的疲劳强度，结构失效往往是从焊接部位开始，所以对高应力区域的焊缝需要进行重点关注，通常焊缝失效的主要形式为疲劳破坏。
1 焊缝的通用评估方法
1.1 评估方法
公铁两用车作为公路和铁路跨界产品，缺乏专门的标准对其进行计算及试验，实际操作过程中，只能参照轨道车辆相关标准如EN 12663《铁路车辆车身的结构要求》的规定，对车架在多种工况的载荷下进行强度计算，计算出主要运行工况中焊缝中的最大应力σmax、平均应力σm和应力幅值σa，然后根据S-N曲线图来评估焊缝的疲劳寿命。
1.2 存在的问题
首先，在计算的过程中，焊缝的S-N曲线的获取比较困难，且仿真软件自带的S-N曲线都是基于特定焊接接头类型的，没有考虑到焊缝的具体形状，不能完全滿足不同类型的焊接结构，例如，对于不完全熔透的角焊缝，焊缝根部通常为应力集中区域，缺口效应过大。其次，不同的焊接结构导致焊缝也是千变万化的，在以往的评估过程中，这些千变万化的不确定因素，往往都是考虑到一定的安全系数，但这样也导致评估较为保守，不能满足产品轻量化的需要。
2 DVS 1612标准
2.1 标准介绍
德国焊接学会的DVS 1612《轨道车辆钢焊缝的设计和疲劳评估》标准认为，沿焊缝方向的正应力、垂直于焊缝方向的正应力及沿焊缝方向的剪应力对焊缝的疲劳破坏起决定作用，在疲劳评估的过程中，应主要计算分析这三种应力。
在DVS 1612标准中，正应力评估曲线最多有11种，其中母材正应力的疲劳特性分为2个等级，焊缝正应力的疲劳特性分为9个等级。剪应力的评估曲线有6种，其中母材剪应力的疲劳特性为1级，焊缝剪应力的疲劳特性分为5个等级。
标准中对焊缝结构分类非常详细，并且与焊接结构设计标准EN 15085-3《轨道车辆及其部件的焊接.第三部分：设计要求》规定的焊缝类型、焊缝质量等级是相对应的。
在DVS 1612标准中，规定各向应力应满足以下条件：
处于多轴应力状态的结构，其组合应力还应满足以下条件：
2.2 焊缝类型分级
2.2.1 焊缝类型
焊缝类型的定义要根据焊缝的接头形式和焊缝的受力方向来确定，如同样是T型接头，但受力方向不同，在焊缝评估时就是两种不同类型的焊缝，应根据不同的曲线来进行。
2.2.2 焊缝质量等级
根据EN15085-3标准规定，焊缝质量等级取决于焊缝的应力等级及安全等级，共分为CP A、CP B、CP C1、CP C2、CP C3、CPD六个级别
3 车架的焊缝疲劳强度分析
公铁两用车车架主要由纵梁、横梁、支撑梁、支撑座、油缸安装座、连杆安装座、前后端梁及车钩座整体焊接组成，所有材料均采用Q355耐候钢及矩形钢管。
3.1 车架的有限元仿真
有限元计算采用目前常用的ANSYS软件，单位选用mm（毫米）、Kg（千克）、MPa（兆帕）、N（牛）。车架模型中，重点位置采用实体单元建立模型，其他部分采用壳单元进行离散。经过合理简化后，对模型划分网格，整个模型共有553165个节点和570173个单元。所有部件之间采用图纸中规定的焊接方式进行连接，并采用标准规定的材料密度进行配重。
车架有限元模型如图1所示：
3.2 车架焊缝的疲劳评定
经仿真计算并对焊缝上选取726个关键节点进行校核统计，最大应力为48.2MPa，最小应力为2.19MPa。
国外标准中S355材质屈服强度等同于国内标准的Q355材质，故采用DVS 1612标准中S355材质的MKJ图进行评估。
评估时以前端梁与车钩座之间的焊缝为例，在车辆运行过程中，此焊缝主要承担车辆的纵向拉伸和压缩载荷，作为车架的关键焊缝，应进行重点关注。
首先分析该焊缝的接头形式和受力方向，焊缝属于T型接头，单面坡口全焊透，背部不带垫板，焊接完成后需要进行10%的内部探伤，焊缝质量等级为CP C1级。因此根据DVS 1612标准并结合受力情况，该焊缝仅评估正应力，采用S355材质正应力E6级缺口冲击强度曲线。经疲劳评估结果显示，此焊缝位置的疲劳应力低于许用疲劳应力，焊缝的疲劳强度满足使用要求。
对其余焊缝参照此方法进行疲劳评估，经疲劳评估结果显示，本公铁两用车车架各焊缝的疲劳强度均满足要求。
4 结束语
采用DVS 1612标准对公铁两用车车架的焊缝疲劳强度进行评估，通过仿真结果显示，对接焊缝的疲劳强度安全余量较大，角焊缝的疲劳强度相对合理。综合评估得出，车架整体的结构设计相对保守，在后续设计过程中应尽量采用全熔透对接焊缝，这样对车架的轻量化还有较大的提升空间，也对后续车型的结构优化具有重要的参考意义。
参考文献：
[1] DVS 1612.轨道车辆钢焊缝的设计和疲劳评估[S].2009.
[2] EN 15805-3.轨道车辆及其部件的焊接-第3部分 设计要求[S].2007.
（作者单位：中车四方车辆有限公司）
关键词：疲劳强度;公铁两用车;车架;焊缝
前言
公铁两用车是一种既能在轨道上运行，又能在一般公路上运行的车辆，通常用于铁路上的车辆牵引、轨道清扫、高空作业、接触网维修等工作。公铁两用车车架是车体系统的重要组成部分，是车辆走行系统、牵引系统、制动系统、电气系统、液压系统的安装基础，并承载和传递车辆运行过程中的垂向、横向和纵向的各种交变载荷。
在车辆实际运行过程中，由于焊缝的疲劳强度远远低于母材的疲劳强度，结构失效往往是从焊接部位开始，所以对高应力区域的焊缝需要进行重点关注，通常焊缝失效的主要形式为疲劳破坏。
1 焊缝的通用评估方法
1.1 评估方法
公铁两用车作为公路和铁路跨界产品，缺乏专门的标准对其进行计算及试验，实际操作过程中，只能参照轨道车辆相关标准如EN 12663《铁路车辆车身的结构要求》的规定，对车架在多种工况的载荷下进行强度计算，计算出主要运行工况中焊缝中的最大应力σmax、平均应力σm和应力幅值σa，然后根据S-N曲线图来评估焊缝的疲劳寿命。
1.2 存在的问题
首先，在计算的过程中，焊缝的S-N曲线的获取比较困难，且仿真软件自带的S-N曲线都是基于特定焊接接头类型的，没有考虑到焊缝的具体形状，不能完全滿足不同类型的焊接结构，例如，对于不完全熔透的角焊缝，焊缝根部通常为应力集中区域，缺口效应过大。其次，不同的焊接结构导致焊缝也是千变万化的，在以往的评估过程中，这些千变万化的不确定因素，往往都是考虑到一定的安全系数，但这样也导致评估较为保守，不能满足产品轻量化的需要。
2 DVS 1612标准
2.1 标准介绍
德国焊接学会的DVS 1612《轨道车辆钢焊缝的设计和疲劳评估》标准认为，沿焊缝方向的正应力、垂直于焊缝方向的正应力及沿焊缝方向的剪应力对焊缝的疲劳破坏起决定作用，在疲劳评估的过程中，应主要计算分析这三种应力。
在DVS 1612标准中，正应力评估曲线最多有11种，其中母材正应力的疲劳特性分为2个等级，焊缝正应力的疲劳特性分为9个等级。剪应力的评估曲线有6种，其中母材剪应力的疲劳特性为1级，焊缝剪应力的疲劳特性分为5个等级。
标准中对焊缝结构分类非常详细，并且与焊接结构设计标准EN 15085-3《轨道车辆及其部件的焊接.第三部分：设计要求》规定的焊缝类型、焊缝质量等级是相对应的。
在DVS 1612标准中，规定各向应力应满足以下条件：
处于多轴应力状态的结构，其组合应力还应满足以下条件：
2.2 焊缝类型分级
2.2.1 焊缝类型
焊缝类型的定义要根据焊缝的接头形式和焊缝的受力方向来确定，如同样是T型接头，但受力方向不同，在焊缝评估时就是两种不同类型的焊缝，应根据不同的曲线来进行。
2.2.2 焊缝质量等级
根据EN15085-3标准规定，焊缝质量等级取决于焊缝的应力等级及安全等级，共分为CP A、CP B、CP C1、CP C2、CP C3、CPD六个级别
3 车架的焊缝疲劳强度分析
公铁两用车车架主要由纵梁、横梁、支撑梁、支撑座、油缸安装座、连杆安装座、前后端梁及车钩座整体焊接组成，所有材料均采用Q355耐候钢及矩形钢管。
3.1 车架的有限元仿真
有限元计算采用目前常用的ANSYS软件，单位选用mm（毫米）、Kg（千克）、MPa（兆帕）、N（牛）。车架模型中，重点位置采用实体单元建立模型，其他部分采用壳单元进行离散。经过合理简化后，对模型划分网格，整个模型共有553165个节点和570173个单元。所有部件之间采用图纸中规定的焊接方式进行连接，并采用标准规定的材料密度进行配重。
车架有限元模型如图1所示：
3.2 车架焊缝的疲劳评定
经仿真计算并对焊缝上选取726个关键节点进行校核统计，最大应力为48.2MPa，最小应力为2.19MPa。
国外标准中S355材质屈服强度等同于国内标准的Q355材质，故采用DVS 1612标准中S355材质的MKJ图进行评估。
评估时以前端梁与车钩座之间的焊缝为例，在车辆运行过程中，此焊缝主要承担车辆的纵向拉伸和压缩载荷，作为车架的关键焊缝，应进行重点关注。
首先分析该焊缝的接头形式和受力方向，焊缝属于T型接头，单面坡口全焊透，背部不带垫板，焊接完成后需要进行10%的内部探伤，焊缝质量等级为CP C1级。因此根据DVS 1612标准并结合受力情况，该焊缝仅评估正应力，采用S355材质正应力E6级缺口冲击强度曲线。经疲劳评估结果显示，此焊缝位置的疲劳应力低于许用疲劳应力，焊缝的疲劳强度满足使用要求。
对其余焊缝参照此方法进行疲劳评估，经疲劳评估结果显示，本公铁两用车车架各焊缝的疲劳强度均满足要求。
4 结束语
采用DVS 1612标准对公铁两用车车架的焊缝疲劳强度进行评估，通过仿真结果显示，对接焊缝的疲劳强度安全余量较大，角焊缝的疲劳强度相对合理。综合评估得出，车架整体的结构设计相对保守，在后续设计过程中应尽量采用全熔透对接焊缝，这样对车架的轻量化还有较大的提升空间，也对后续车型的结构优化具有重要的参考意义。
参考文献：
[1] DVS 1612.轨道车辆钢焊缝的设计和疲劳评估[S].2009.
[2] EN 15805-3.轨道车辆及其部件的焊接-第3部分 设计要求[S].2007.
（作者单位：中车四方车辆有限公司）