《材料力學(xué)性能》課件

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1、5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,焊接作為現(xiàn)代理想的連接手段，與其它連接方法相比，具有經(jīng)濟(jì)、靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，因此，各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都大量地采用焊接結(jié)構(gòu)。但是，許多運(yùn)動結(jié)構(gòu)或承受動載荷的結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下，即使在低應(yīng)力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。,5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)中，90%為焊接結(jié)構(gòu)。一般情況下，焊接接頭承受靜載的能力并不比母材低，而承受動載荷的能力卻遠(yuǎn)低于母材。這是因?yàn)椋缚p處存在應(yīng)力集中、焊接缺陷、殘余拉伸應(yīng)力，以及焊趾處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降，成為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。,5.1 各種焊接接頭的疲勞破壞形式,1橫向?qū)雍缚p 在沒有焊接缺陷時(shí)，帶有余高的

2、橫向?qū)雍缚p，應(yīng)力集中主要發(fā)生在焊縫的焊趾和焊根處，所以疲勞破壞一般始發(fā)于此，見圖5-1 a）和b）。,2縱向?qū)雍缚p 外力方向與對接焊縫平行，焊縫表面的波紋與應(yīng)力方向垂直，疲勞破壞將從缺口最嚴(yán)重的鱗紋處開始，或者在更換焊條的那一點(diǎn)，見圖5-2 a)。 在梁的翼緣邊對接一個(gè)小附件，在焊縫端部形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此裂紋常出現(xiàn)在焊縫端部，見圖5-2 b）。,a),b),圖5-2 縱向?qū)雍缚p疲勞裂紋部位,3角接焊縫 角接焊縫的破壞形式有以下幾類： （1）在不承載的橫向角焊縫中，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾處，見圖5-3（a）中； （2）對于承載的橫向角焊縫，裂紋起始于焊趾或焊根，見圖5-3

3、（b）； （3）對于承載和不承載的縱向角焊縫，裂紋都起始于焊縫兩端 ，見圖5-3（c）、（d）。,圖5-3角接接頭的破壞形式 （黑點(diǎn)表示裂紋的開始點(diǎn)）,不承載的橫向角焊縫 不承載的縱向角焊縫,橫向角焊的筋板,（縱向角焊的筋板）,承載的橫向角焊縫 承載的縱向角焊縫,橫向角焊搭接,側(cè)向角焊搭接,5.2 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素,應(yīng)力集中的影響 研究表明，一個(gè)結(jié)構(gòu)的疲勞特征主要決定于它所包含的應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。由于所有的焊接接頭不可避免地是應(yīng)力集中點(diǎn)，自然，疲勞破壞很可能發(fā)生在接頭部位。因此，應(yīng)力集中是影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的主要因素。,（一）橫向?qū)咏宇^,圖5-4中示出了橫向?qū)咏宇^

4、中的工作應(yīng)力分布。 為名義應(yīng)力，在焊趾和焊根處都有一定的應(yīng)力集中。,圖5-4 對接接頭中工作應(yīng)力的分布,影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要因素是焊縫余高h(yuǎn)和過渡處半徑r，見圖3-5 。,圖5-5 對接焊縫余高h(yuǎn)、過渡半徑r與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系,表5-1,如果使用機(jī)械加工方法將余高切除，則應(yīng)力集中可以大大減小，對接接頭的疲勞極限可以明顯提高，見表5-1,但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時(shí)，其缺陷或未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，這時(shí)焊縫表面進(jìn)行機(jī)械加工則是毫無意義的。,（二）搭接接頭,搭接接頭中的工作應(yīng)力分布見圖5-6所示。搭接接頭的應(yīng)力集中比對接接頭嚴(yán)重，因此其疲勞強(qiáng)度也比對接接頭

5、低得多。,a）等截面板搭接 b）不等截面板搭接,圖5-6 側(cè)面搭接焊縫應(yīng)力分布圖,1. 各種端焊縫型式的搭接接頭，其疲勞極限與焊縫兩直角邊的比值和機(jī)加工情況有關(guān)。,表5-2,2側(cè)焊縫形式的搭接接頭，無論是受到拉-壓或彎曲載荷，其疲勞強(qiáng)度都比端焊縫低。見圖5-8和表5-3 。,表5-3,（三）T形（十字）接頭,圖5-9中示出了T形（十字）接頭的工作應(yīng)力分布。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對接接頭高。,未開坡口的T形接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時(shí)，其薄弱環(huán)節(jié)有兩個(gè)：一是焊縫，另一個(gè)是焊趾。如果焊縫的計(jì)算厚度a與板厚t之比a/t0.60.7,一般斷于焊縫。如果a/t0.7,一般斷于焊趾，這時(shí)再增大焊縫厚度也不能

6、使其疲勞強(qiáng)度進(jìn)一步提高，最根本的措施是開坡口焊透和加工焊縫、使焊趾向基本金屬光滑過渡。,圖5-10中示出了三種十字接頭型式 。,板厚12 S=5 a=8,a）,b）,c）,圖5-10 三種十字接頭型式,焊接接頭的 疲勞極限,母材金屬的 疲勞極限,正應(yīng)力下的 疲勞缺口系數(shù),表5-4 十字接頭的疲勞極限,a）,b）,c）,焊趾處的微小缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響,大量試驗(yàn)表明，除各種焊接接頭的幾何尺寸因素造成應(yīng)力集中（應(yīng)力分布不均勻）外，焊趾處還存在著微小的氣孔、未焊透、細(xì)小的尖銳熔渣楔塊以及沿熔合線的輕微咬邊（見圖3-11）。熔渣楔塊的平均尺寸為0.15mm，咬邊深度在0.1mm以下，它們是一般探傷方法

7、不能檢查出來的微小缺陷。,圖5-11 焊趾微觀缺口效應(yīng),圖512 a) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片,圖5-12為CW-2C轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片。該構(gòu)架于2003年8月進(jìn)行A4修程時(shí)對定位座實(shí)施了補(bǔ)強(qiáng)處理，于2004年10月16日發(fā)生斷裂事故，僅運(yùn)行了一年多。a圖為定位座補(bǔ)強(qiáng)板焊縫沿焊趾開裂的實(shí)物照片；,圖512 b) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷口照片,b圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補(bǔ)強(qiáng)板焊縫靠近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿焊縫還有許多“臺階”，這是焊趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴(kuò)展形成的。 CW-2C（B）轉(zhuǎn)向架定位座補(bǔ)強(qiáng)后嚴(yán)重裂損的原因，主要是補(bǔ)強(qiáng)板只采用了角焊縫，沒有按照“焊滿磨平”的工

8、藝要求去實(shí)施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中；同時(shí)，焊縫質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大削弱了該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。,焊接殘余應(yīng)力的影響,焊接殘余應(yīng)力的作用與平均應(yīng)力相當(dāng)，二者的區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而焊接殘余應(yīng)力在加載過程中會逐漸釋放，因此其影響也逐漸減小。 焊接殘余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度問題，至今仍存在爭議。,基本上有兩種觀點(diǎn)： 一類觀點(diǎn)是：殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響可以忽略。理由是：焊接接頭的疲勞強(qiáng)度主要與焊縫幾何尺寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等因素的影響有關(guān)，殘余應(yīng)力的影響是第二位的；拉伸殘余應(yīng)力使疲勞極限降低，壓縮殘余應(yīng)力使疲勞極限增加。焊接殘

9、余應(yīng)力的總體影響不顯著。 另一類觀點(diǎn)是：在一定條件下，殘余應(yīng)力可影響焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。如，當(dāng)高殘余拉應(yīng)力點(diǎn)與焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點(diǎn)重合時(shí)，殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響是毫無疑問的。,（一）消除焊接殘余應(yīng)力工藝對接頭疲勞強(qiáng) 度的影響,由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，退火處理和除銹噴丸處理都能明顯地消除和改變焊接構(gòu)架表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。 1退火處理后，整個(gè)構(gòu)架被均勻加熱，殘余應(yīng)力通過塑性變形而產(chǎn)生松弛。這對疲勞極限有雙重影響：消除殘余應(yīng)力能使疲勞強(qiáng)度提高，但同時(shí)又使金屬軟化、降低疲勞強(qiáng)度。,表5-5中列出了退火處理對于對接接頭疲勞強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。,表5-5 退火處理后對接接頭的疲勞強(qiáng)度,2

10、冷作強(qiáng)化處理（噴丸、滾壓、捶擊等），使焊接結(jié)構(gòu)表面（或接頭表面）造成壓縮殘余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)0.4mm左右，對接接頭噴丸后，在2106次循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度提高5565；非承載橫向角焊縫，疲勞強(qiáng)度提高3639。,（二）交變載荷作用下焊接構(gòu)架上殘余應(yīng)力的變化,殘余應(yīng)力是一個(gè)不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交變載荷作用下會引起殘余應(yīng)力的變化（釋放）。其機(jī)理是：在動應(yīng)力和殘余應(yīng)力共同作用下，如果某部位應(yīng)力值超過材料的屈服極限，就會在該部位產(chǎn)生塑性變形，使殘余應(yīng)力釋放，降低殘余應(yīng)力的峰值。動應(yīng)力幅值愈大，殘余應(yīng)力下降的愈多愈快。一般在幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放的幅

11、值為5080之間。,圖5-15中示出了焊接構(gòu)架在室內(nèi)疲勞試驗(yàn)中，某一測點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律。,圖5-15焊接構(gòu)架某測點(diǎn)的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律,焊接缺陷的影響,（一）一般規(guī)律 在焊接接頭中可能存在著各種缺陷，缺陷會造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對焊接接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種類、位置和方向有關(guān)。 1缺陷可分為兩類：面狀缺陷（裂紋、未焊透及咬邊等）和體積型缺陷（氣孔、夾渣等）。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對疲勞強(qiáng)度的影響比體積型缺陷要大。,2表面或靠近表面的缺陷比內(nèi)部缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾部）比位于均勻應(yīng)力場中同樣缺陷的影響大；位

12、于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)力區(qū)的影響大。 3與作用力方向垂直的缺陷比其它方向的缺陷對疲勞強(qiáng)度的影響大。,（二）面狀缺陷對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響,1未焊透（未熔合）,表5-6中列出了未焊透深度對焊接接頭脈動疲勞極限 的影響（為板厚）,,疲勞極限,疲勞極限,表5-6,,交叉桿端部環(huán)焊縫焊根部未焊透，見圖5-15（a）、（b）;（a）圖為未焊透分布于整個(gè)環(huán)形斷口內(nèi)表面的邊緣；（b）圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。 疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞裂紋88%斷在交叉桿端部環(huán)焊縫處（14根試樣），只有兩根斷在交叉桿壓窩部位。,圖 5-15,2咬邊（咬肉） 咬邊使焊縫與母材連接處產(chǎn)生凹槽，引起應(yīng)力集中，降低疲

13、勞強(qiáng)度。如圖5-16中。 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，咬肉深度不得超過1mm。,3裂紋 焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源。能夠被檢測出來的裂紋，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中都是被禁止的。,4.點(diǎn)固焊 裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點(diǎn)固焊定位，由于不能保證焊縫連續(xù)，疲勞裂紋會在點(diǎn)固焊兩側(cè)產(chǎn)生。圖5-17中為立板內(nèi)側(cè)點(diǎn)固焊處有未很好清根留下的焊渣，成為疲勞源，所以焊接操作時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)行點(diǎn)固焊定位。,圖5-17,母體金屬材料性能的影響,母材金屬的疲勞強(qiáng)度總是隨其靜強(qiáng)度的增加而提高。但對焊接結(jié)構(gòu)來說，只要焊接接頭的類型一樣，高強(qiáng)鋼和中低強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度基本一致，也具有

14、相同的S-N曲線，這個(gè)規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式，見圖5-18。,圖5-18 表面狀況及環(huán)境因素與疲勞極限 和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系,母體金屬材料性能的影響,另外研究了屈服極限為386MPa636MPa之間的碳錳鋼，采用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對裂紋擴(kuò)展速率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接結(jié)構(gòu)選用較高強(qiáng)度的鋼種是沒有意義的。只有靜強(qiáng)度條件起主要作用時(shí)，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼。 這是因?yàn)樵诮宇^焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口效應(yīng)咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地方，因而焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要由擴(kuò)展壽命決

15、定。所以不同強(qiáng)度鋼材的焊接接頭，其疲勞強(qiáng)度與母材及焊接材料的靜強(qiáng)度關(guān)系不大。,5.3 合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式,焊縫、焊接接頭形式合理設(shè)計(jì)的原則是盡量降低各種形式的應(yīng)力集中。例如： l（1）盡可能采用低加強(qiáng)高的對接接頭，重要焊縫甚至要用機(jī)加工手段去掉加強(qiáng)高。 l（2）承受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大熔深、保證焊透，并使角焊縫圓滑凹入、過渡至連接件母材上。 l（3）需要采用不開坡口的T形接頭和搭接接頭時(shí)，由于它們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊腳尺寸并加工焊趾過渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。一般，T形接頭采用雙面焊比單面焊好。,5.3 合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式,（4）設(shè)計(jì)蓋板接頭、附連板和筋板時(shí)

16、，盡量采用圓滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，見下圖。 l,改進(jìn)前 改進(jìn)后,5.3 合理地設(shè)計(jì)焊縫、焊接接頭形式,（5）應(yīng)避免雙條焊縫交叉或匯聚于一點(diǎn)。 （6）盡量避免在結(jié)構(gòu)的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫 連接部位的剛度也不能過大。,5.4 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素,對于整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，影響其疲勞強(qiáng)度的主要因素有三個(gè)：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（稱為細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)）。,下面以焊接鋼梁為例介紹各種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響。,焊接鋼梁結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,工字梁結(jié)構(gòu)的腹板與翼緣連接角焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)生在焊縫起弧熄弧位置上。有兩種幾何上的缺口，一是弧坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)生一個(gè)顯著的變化，見圖5-1

17、8；另一種是在熄弧與起弧焊道之間焊根處未完全熔化、由包住的夾渣造成的缺口。試驗(yàn)結(jié)果得出，在2106次循環(huán)下，手工焊組拼梁的疲勞強(qiáng)度在133MPa165MPa范圍內(nèi)。,圖5-18 換焊條的弧坑裂紋,為了改善疲勞強(qiáng)度，有兩種辦法：第一種辦法是開坡口、使焊縫熔透整個(gè)腹板，試驗(yàn)結(jié)果表明，在2106次循環(huán)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度可提高147MPa200MPa。第二種辦法是采用自動焊工藝，可以避免起弧熄弧位置出現(xiàn)缺陷，試驗(yàn)結(jié)果為2106次循環(huán)時(shí)其疲勞強(qiáng)度達(dá)到150MPa185MPa。,腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié)的影響,圖5-19中示出了腹板加強(qiáng)筋不同的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。其中，B型細(xì)節(jié)把加強(qiáng)筋焊到受拉翼緣（下翼板）上，此時(shí)疲勞破壞發(fā)生在

18、翼緣上。試驗(yàn)結(jié)果表明，在2106次循環(huán)時(shí)，疲勞強(qiáng)度為100MPa。,圖5-19 腹板加強(qiáng)筋細(xì)節(jié),圖5-19中其它六種細(xì)節(jié)是把加強(qiáng)筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的試件都在腹板中破壞，裂紋從一條或多條加強(qiáng)筋與腹板間的焊縫端部開始，所有細(xì)節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果都落在相同的分散帶內(nèi)，在2 106次循環(huán)時(shí)，加強(qiáng)筋板倒角的疲勞強(qiáng)度約為116MPa，不倒角的都為100MPa。,拼接接頭細(xì)節(jié)的影響,圖5-20中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié),一般，沒有邊孔的拼接接頭，大部分破壞發(fā)生在焊趾上，或者在焊縫缺陷處，當(dāng)有邊孔時(shí)，在角焊縫端部或邊孔周圍的那些小缺口上，應(yīng)力集中導(dǎo)致低的疲勞強(qiáng)度，見圖5-21。,圖5-

19、21在腹板三角邊孔頂點(diǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中,翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響,圖5-22中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)及其疲勞強(qiáng)度,5.5 改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的工藝措施,修整焊縫 （一）局部機(jī)加工（打磨法） 1對焊縫進(jìn)行局部機(jī)加工有利于提高疲勞強(qiáng)度。 將焊縫余高機(jī)加工平滑，疲勞強(qiáng)度能增加到幾乎和母材金屬一樣。,2角接接頭一般采用砂輪或磨盤小心地打磨，達(dá)到高質(zhì)量的光滑程度。打磨時(shí)需要像圖5-23中B那樣，深入到板材表面下（下凹0.5mm左右），排除焊趾缺陷，其疲勞強(qiáng)度可提高70%左右；若象A這種磨削，疲勞強(qiáng)度增量只有30%左右。,圖5-23 打磨焊趾缺陷,A,B,3不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，試驗(yàn)

20、證明，其疲勞強(qiáng)度也能改善70%左右；在兩端焊趾處輕微磨削，疲勞強(qiáng)度增量也只有30%左右。 4對于附連板縱向?qū)雍缚p端部的機(jī)加工處理也有兩種方法，見圖5-24。,圖524,一種是把尖角加工成一個(gè)合適的圓角；另一種方法則是在附連板的端點(diǎn)各鉆一個(gè)孔。疲勞強(qiáng)度改善的效果見表5-7。,表5-7 焊縫端部機(jī)加工改善疲勞強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果,TIG（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）修整,TIG修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭的疲勞強(qiáng)度。 最適合處理與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，試驗(yàn)證明，疲勞強(qiáng)度增加2575%。,焊縫表面的硬化處理,采用噴丸或用錘

21、頭撞擊焊縫表明或焊趾處：消除焊趾處0.5mm以下的咬邊等缺陷；加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何形狀突變引起的應(yīng)力集中；預(yù)制表面殘余壓應(yīng)力。研究表明：噴丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化層和殘余壓應(yīng)力 ，疲勞強(qiáng)度改善量為3337%。,塑料涂層（預(yù)防大氣腐蝕）,用塑料涂層來提高疲勞強(qiáng)度的方法是比較新的方法。 塑料涂層的作用，主要是由于塑料里的碳鏈與金屬表面相互作用，有防腐作用，延長裂紋的萌生壽命。 目前，塑料涂層尚未進(jìn)入工程實(shí)用。,疲勞裂紋實(shí)例分析,一、彈簧托梁疲勞裂紋分析,1彈簧托梁的結(jié)構(gòu)（見圖1 ） 為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對運(yùn)動，在彈簧托梁上設(shè)有橫向拉桿座，通過橫向拉桿與搖枕連接。,圖1

22、搖動臺結(jié)構(gòu) 1搖枕吊座；2搖枕；3空簧或鋼簧； 4彈簧托梁；5橫向拉桿；6橫向拉桿座,彈簧托梁的結(jié)構(gòu)示于圖2中,圖 2,圖3中示出了橫向拉桿座結(jié)構(gòu)，它由隔板、一塊外側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。,圖3,2疲勞裂紋情況 該車2004年6月9月投入運(yùn)用后，經(jīng)過一年多于2005年11月9日在小筋板與彈簧托梁立板連接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一起疲勞裂紋，12月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)3起裂紋，見圖4所示，圖5為裂紋部位放大圖。,圖4 裂紋照片圖,圖5 裂紋部位放大圖,3裂紋原因分析 出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強(qiáng)度薄弱部位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。這兩點(diǎn)可能就是引起疲勞裂紋的主要原因

23、。 針對這個(gè)原因的處理措施：對各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理，使焊縫與母材圓滑過渡，并探傷檢查無裂紋。打磨部位和要求見圖6所示。,圖6 各筋板端部焊縫打磨處理, 彈簧托梁的載荷分析（參見圖1） 橫向力：橫向拉桿座部位； 扭轉(zhuǎn)力：如果四根吊桿與彈簧托梁連接部的高度不一致，特別是對角位置存在高度差時(shí)，轉(zhuǎn)向架運(yùn)行中彈簧托梁將受到交變扭轉(zhuǎn)載荷的作用。 采用有限元方法計(jì)算彈簧托梁上的應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算中假設(shè)橫向力為20KN；在吊桿的四個(gè)連結(jié)點(diǎn)處施加10KN力產(chǎn)生扭矩。,經(jīng)計(jì)算得出原結(jié)構(gòu)彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖7。,圖7 原方案扭矩橫向力作用下應(yīng)力云圖,由圖可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個(gè)內(nèi)側(cè)小筋板縱向

24、角焊縫端頭處，而該處是疲勞強(qiáng)度薄弱部位，并存在收弧弧坑等焊接缺陷，因此產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。,4確定橫向拉桿座改造方案 根據(jù)對裂紋原因的分析、計(jì)算結(jié)果，提出三個(gè)改造方案。 改造方案一： 取消內(nèi)側(cè)兩個(gè)小筋板（先切割去除，再打磨、探傷），在槽鋼內(nèi)加兩個(gè)小立板。小立板內(nèi)側(cè)面距離140mm，小立板長、高均為90mm，單側(cè)坡口，如圖8所示：,圖8 改造方案一,改造方案一有限元計(jì)算結(jié)果示于圖9。,圖9 扭轉(zhuǎn)橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖, 改造方案二： 將原內(nèi)、外筋板取消（先切割去除，再打磨、探傷），立板進(jìn)行切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉16mm，如圖10 所示。,圖10,改造方案二有限元計(jì)算

25、結(jié)果示于圖11。,圖11, 改造方案三： 原方案的各筋板不改變，對各筋板端部焊縫進(jìn)行打磨處理。打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。打磨部位和標(biāo)準(zhǔn)如前面圖3-32。同時(shí)，在槽鋼內(nèi)側(cè)加焊兩個(gè)筋板，筋板尺寸120 x80（三角形直邊尺寸），厚度10mm，高度方向距離槽形梁鋼底面59mm（與孔中心平齊）加焊后筋板端頭打磨，如圖12所示：,圖12,改造方案三有限元計(jì)算結(jié)果示于圖13。,圖13, 改造方案的綜合分析見下表,二、油箱吊梁疲勞裂紋分析,1裂紋情況 KD25G空調(diào)發(fā)電車，自2004年10月以來，其中K71型K122型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂紋。裂紋發(fā)生車都是在1994年

26、和1995年以后生產(chǎn)的，裂紋發(fā)生時(shí)間均在車輛廠修后12年左右，即新造出廠10年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖1所示。,圖1 油箱吊梁裂紋實(shí)物照片,2裂紋原因分析 （1）油箱吊梁與中梁下翼板連接部位為搭接接頭，均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差（見裂紋圖）。因此，該部位焊接接頭疲勞強(qiáng)度低，又處于（中梁下翼板）最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂紋，然后向吊梁腹板擴(kuò)展。 （2）油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，只考慮了垂向載荷和橫向載荷、滿足靜強(qiáng)度要求。沒有考慮縱向載荷以及疲勞強(qiáng)度。,3補(bǔ)強(qiáng)措施 通過初步分析，擬定了補(bǔ)強(qiáng)措施：加兩塊水平筋板，焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖2 所示。,

27、圖2 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)措施,按照TB/T1335-96中7.3條款“車體固結(jié)設(shè)備的強(qiáng)度要求”，按下面三種載荷進(jìn)行強(qiáng)度校核： 縱向載荷為M3g； 橫向載荷為Mg； 垂向載荷為M(1.53)g； M為油箱總重。 采用有限元方法對油箱吊梁原結(jié)構(gòu)與補(bǔ)強(qiáng)后進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果列于下表。,油箱吊梁與中梁下翼板連接部位強(qiáng)度校核結(jié)果,,由計(jì)算結(jié)果可見： 在三種載荷作用下原結(jié)果和補(bǔ)強(qiáng)后的最大等效應(yīng)力都小于Q235鋼的屈服極限（235MPa），滿足靜強(qiáng)度要求。 橫向應(yīng)力分量是垂直于裂紋方向（垂直中梁）的應(yīng)力，由計(jì)算結(jié)果可見：縱向載荷對該應(yīng)力分量的貢獻(xiàn)最大，是導(dǎo)致油箱吊梁裂紋的主要載荷。 補(bǔ)強(qiáng)后，油箱吊梁裂紋部位的應(yīng)

28、力下降了一倍多，因此能有效地改善該部位的疲勞強(qiáng)度。,4補(bǔ)強(qiáng)措施的實(shí)施方案比較 方案一，見圖3,圖3 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施方案一,方案二，見圖4,圖4 油箱吊梁補(bǔ)強(qiáng)實(shí)施方案二,,5施工說明 鑒于油箱吊梁結(jié)構(gòu)增加補(bǔ)強(qiáng)板時(shí)，施焊工藝條件較差，易導(dǎo)致各種焊接缺陷，由此造成的應(yīng)力集中將嚴(yán)重影響其疲勞強(qiáng)度和壽命。建議，在實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)措施時(shí)要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，如： 1）保證焊接質(zhì)量，焊前必須對補(bǔ)強(qiáng)筋板處和吊梁與中梁連接焊縫處清除油污、灰塵、涂料和油漆并除銹。 2）檢查油箱吊梁與中梁連接焊縫，清理焊瘤、焊渣，對于焊角不足、漏焊、焊縫不良等處重新補(bǔ)焊。 3）采用氣體保護(hù)焊，對規(guī)定的焊角大小，必須達(dá)到要求。保證焊透、

29、起落弧避免產(chǎn)生焊接缺陷、焊縫平滑過渡，焊趾部和焊縫端頭打磨。 4）焊后，對新增焊的部位，必須涂底漆。干燥后，分兩次噴涂阻尼防腐涂料，涂層總厚度不小于4mm。,施工步驟： 拆下油箱清理需補(bǔ)強(qiáng)處、油箱吊梁與中梁連接焊縫的油污和瀝青漿 檢查并處理原吊梁與中梁連接焊縫按補(bǔ)強(qiáng)方案二在中梁和油箱吊梁腹板之間焊接補(bǔ)強(qiáng)筋板，兩筋板焊接位置可上下調(diào)整，以便于施焊 焊接完成后，清除焊渣等涂底漆和防腐涂料。,思考題,1. 簡要說明疲勞破壞與靜力破壞的本質(zhì)差別。 2. 簡述疲勞斷裂斷口的宏觀形貌特征。 3. 從斷口特征上如何判斷疲勞源，進(jìn)而分析疲勞斷裂的原因？ 4. 什么是材料的疲勞強(qiáng)度？某材料的零件發(fā)生疲勞斷裂后，沒有條件試驗(yàn)得出其S-N曲線，如何確定該零件的疲勞強(qiáng)度？ 5. 什么是損傷？用公式表達(dá)疲勞損傷是可以累積的。 6. 簡述線性累積損傷法則（Miner法則）。 7. 對接、搭接和角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在哪里？為什么角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在焊趾處？ 8. 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度有哪些工藝措施？ 上述第1、7和8為作業(yè)題。,