350 km/h及以上的高速列车，系采用大型中空铝合金型材焊接而成，其疲劳破坏现象突出。疲劳破坏一般都是从表面开始，表面残余应力对铝合金车体疲劳强度有较为显著的影响。残余应力与焊接缺陷、接头几何不连续、冶金非均匀等因素交互作用，影响焊接结构的强度、抗脆断能力、耐腐蚀性能等，降低高速列车车体结构的安全可靠性，缩短其服役寿命［2627］。目前，对于高速列车用大型中空铝合金型材焊接残余应力的研究还处于起步阶段，因此，无损、快速检测车体焊接结构残余应力，对于高速列车车体可靠性研究具有重要的工程意义。
文献［28］中采用超声波测量方法对高速车体侧墙的焊接残余应力进行了测量，为服役状态下高速列车车体结构安全评估和疲劳寿命预测奠定了一定的基础。
文献［29］选取某类型高速列车，对铝合金焊接接头分别采用X射线法、盲孔法进行了残余应力测试研究，并针对关键焊接接头进行了残余应力有限元模拟。通过对比研究，以期探究较为精准的高速列车车体结构残余应力的无损检测技术，实现对高速列车车体安全可靠性有效地进行评价。
7.4.1.1 残余应力测试对象、设备及参数
X射线衍射法及盲孔法残余应力测试均选取某类型高速列车焊接接头，母材为A5083P-0铝合金。X射线衍射法测试残余应力采用iXRD应力测试仪。表7-8为X射线衍射法测试涉及的参数。
表7-8 X射线衍射法残余应力测试参数
盲孔法测量残余应力，采用高速钻孔装置，在高速列车车体结构上钻取小1.5 mm、深度达1.5 mm的盲孔。利用DH3816静态应变仪测量钻孔过程中产生的钻削应变。根据标准计算残余应力并进行盲孔法标定实验，获得的标准系数为A＝－1.53μe/MPa、B＝－2.69μe/MPa。
7.4.1.2 车体焊接残余应力有限元模拟
针对实验检测的焊接接头，使用非线性有限元分析软件Sysweld进行热力耦合分析，建立有限元计算模型。采用Hypermesh软件进行网格构建。在温度梯度变化较大的焊缝及其附近区域，对网格进行加密处理，在远离焊缝较远处和温度变化不明显的区域，网格划分较为稀疏，整个几何模型表现为由细密到疏松的过渡方式。模型单元为八节点六面体类型，节点为465 556个，单元为330 450个。热源模型采用双椭球热源模型。(www.xing528.com)
热物理性能和力学性能参数随温度发生变化，采用材料性能计算软件Jmatpro 4.1进行热物理性能计算，得到不同条件下主要物理性能参数与温度的对应关系，如图7-57所示。
图7-57 主要物理性能参数与温度的关系
7.4.1.3 残余应力研究结果分析
图7-58为车顶铝合金焊接接头由X射线衍射法、盲孔法以及有限元法测得的残余应力分布。图中，W表示焊缝，HAZ表示热影响区，M表示母材。
由图7-59可知，车顶铝合金焊接接头分布着较高的拉伸残余应力及压缩残余应力，最高纵向应力达到146.3 MPa，由于焊接缺陷的存在，残余应力会加速焊接缺陷的扩展，降低高速列车运行的安全可靠性。由图7-58可知，除少数点之外，有限元法模拟计算结果比其他两种方法所得结果要大。这是由于实际车体铝合金焊接结构和有限元几何模拟结构之间的差异产生的。实际车体铝合金焊接接头受力较为复杂，不仅受纵向载荷的作用，在车体运行过程中，还受到振动载荷以及其他载荷的作用，即焊接状态和模拟状况的受热、散热以及边界条件均不同，因此，造成测试结果和模拟结果的差异。
图7-58 车顶焊接接头焊接残余应力分布
图7-59 X射线衍射法车顶焊接接头残余应力分布
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