焊接构架疲劳寿命计算与优化案例

为了治理某转向架焊接构架上一条焊缝出现的疲劳隐患，使用了图4-8所示的模块进行了疲劳寿命评估^[5]。

1.S-N曲线的获取

根据设计图样，采用了IIW标准提供的S-N曲线数据。经“对号入座”，原焊接接头的S-N曲线数据取的是表4-7中FAT=45的数据。为提高疲劳寿命，端焊缝按照IIW标准规定磨削，因此改进以后S-N曲线数据取的是表4-7中FAT=56的数据。

表4-7 IIW标准的S-N曲线数据

（续）

2.动应力谱的获得

基于名义应力法的计算原则，在该结构上共布置了若干个应变片，然后获得了某区间的应变数据。动应力编谱之前，利用软件将全部原始二进制数据（微应变信号）转换成ASCII码格式，图4-9是其中一个通道的应变信号换算后应力的数据。

图4-9 滤波后的时域信号（滤波频率40Hz）

接下来采用像Ncode这样的专用软件对每一通道数据进行动应力编谱，根据频谱信息进行滤波，滤波频率为40Hz，雨流计数以后获得了可以进行疲劳寿命计算的动应力谱，图4-10给出了图4-9所示的FAT=45的端焊缝处名义应力范围编谱结果。(www.xing528.com)

3.疲劳寿命计算与验证

将上述数据输入到该评估模块后，计算得到了该焊接构架疲劳寿命最短的部位是疲劳等级为FAT=45的端焊缝（应变片号52），换算以后的里程数是4.96×10⁶km，显然这一数据不能满足设计寿命要求，为此建议将该端焊缝按照FAT=56那样磨削，然后用FAT=56的S-N曲线数据替代原FAT=45的S-N曲线数据，计算后得到的里程数为1.47×10⁷km，这一数据表明该处焊缝疲劳寿命明显提高，大于1.2×10⁷km的设计寿命要求。

图4-10 雨流计数直方图（应变片号：52）

为验证上述计算结果的可靠性，端焊缝磨削的改进方案在疲劳台架上进行了样件的疲劳试验，图4-11给出了结构改进方案的台架疲劳试验现场照片。

图4-11 台架疲劳试验现场

疲劳试验做到1.2348×10⁷km时未发现疲劳裂纹，这个数据证明了改进方案已经满足了1.2×10⁷km的设计寿命要求。表4-8为预测寿命与疲劳试验台上的试验寿命对比。这里有一个值得思考的问题：同样的疲劳载荷，同样的焊接结构，一个是端焊缝没有磨削，一个是端焊缝经过磨削，疲劳寿命为什么相差如此之大？关于这个问题的答案，将在第8章给出。

表4-8 预测寿命与疲劳试验台上的试验寿命对比