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基于BS EN 15085标准的焊缝质量评估方法

 论文栏目:计算机论文     更新时间:2018-10-09   浏览

作者:王剑,孙畅,马纪军

摘要:

根据BS EN 15085标准,提出轨道车辆焊接结构焊缝的评估流程。以英国BS 7608—1993标准提供的T型承载接头为例,利用ANSYS二次开发,计算接头应力并进行静强度评估;基于主SN曲线法界定标准和非标准接头,分别设计疲劳强度计算方法,进而确定焊接性能等级和检查等级。实现该流程可为工程师进行焊接产品设计、生产和质量检查提供数据支持。

关键词:

轨道车辆; 焊缝质量; T型承载接头; 应力因数

中图分类号: U213.9

文献标志码: B

Evaluation method of weld quality based on

BS EN 15085 standard

WANG Jian1,2, SUN Chang1, MA Jijun2

(1. College of Traffic and Transportation Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, Liaoning, China;

2. CRRC Tangshan Co., Ltd., Tangshan 063035, Hebei, China)

Abstract:

According to the BS EN 15085 standard, the evaluation process of welding structure weld of railway vehicle is proposed. Taking Ttype bearing joint in BS 7608—1993 standard as an example, the secondary development of ANSYS is used to calculate the joint stress and evaluate the static strength; the standard and nonstandard joints are defined based on the principal SN curve method, and the fatigue strength calculation method is designed respectively; the welding performance level and inspection level are determined. The implementation of the process can provide data support for engineers to conduct welding product design production and quality inspection.

Key words:

railway vehicle; weld quality; Ttype bearing joint; stress factor

0 引 言

BS EN 15085标准是欧洲电工标准化委员会于2007年制定的,涵盖铁路车辆及其零件制造中各类金属材料的焊接,是用于评估轨道交通装备焊接质量的国际标准。[1]

在国家“一带一路”倡议的指导下,我国轨道交通装备企业响应“走出去”的号召,积极扩展海外业务,但在竞争激烈的国际市场中,产品必须依照国际标准进行设计、生产和质量检查才能提高竞争力。

轨道交通装备结构中存在很多焊接结构,研究如何运用国际标准进行焊接产品开发与质量评估是重要课题。很多学者对BS EN 15085标准进行过深入研究:周東海等[2]论述推行该标准的意义及重要性,阐述该标准的内容和相关联的其他欧洲标准、国际标准;朱志民[3]通过对浦镇公司BS EN 15085标准体系CL 1级认证的经验总结,为该标准焊接质量体系管理工作提出指导;刘洋等[4]基于该标准对牵引动力系统的构架进行设计和优化,并通过对构架模型进行有限元分析,验证结构的合理性。

已有的研究工作大多集中在BS EN 15085标准下的质量体系建设和标准说明,针对具体结构案例的研究较少。此外,考虑到实际焊接结构接头的复杂性和研究中存在的误区[5],使每个接头都找到与之对应的标准进行评估十分困难。

本文以主SN曲线法为理论基础,结合国际通用的焊缝疲劳评估标准,将焊接接头分为2类:标准接头和非标准接头。名义应力和接头形式能够从标准中检索到的接头为标准接头,可直接进行疲劳寿命分析并计算应力因数;其余接头统称为非标准接头,需采用主SN曲线法进行疲劳寿命分析和应力因数计算。

1 焊接接头质量等级评估流程

BS EN 15085标准分别从焊接接头的设计、生产、检查等3个方面,确定接头静强度评估、接头疲劳强度评估、应力等级和应力因数、安全等级、焊接性能等级、焊接检查等级,以及相互之间的关系。在满足强度要求的基础上,BS EN 15085标准确定焊接接头质量等级的流程如下。

(1)计算应力因数,即计算应力值与适当安全因数调节的许用疲劳应力之比。应力等级与应力因数的关系见表1。

由此可见,焊接接头质量评估流程是一个逻辑性极强的完整流程,该流程对轨道车辆产品焊接结构的焊接接头设计具有指导意义。

2 焊接接头质量评估方法

基于焊接接头质量评估流程,在ANSYS中进行二次开发,实现包括静强度评估在内的焊接结构焊缝质量等级评估。其基本思路为:计算接头应力水平,进行静强度评估,判断计算应力是否大于静强度的许用应力。若不满足强度要求,修改接头局部特征;若满足强度要求,考察疲劳应力状态。

对标准接头,依照名义应力和结构应力标准进行疲勞应力计算,求得应力集中因数(stress concentration factor,SCF);对非标准接头,依照结构应力的计算标准计算疲劳应力。参考BS EN 15085标准,确定焊接接头应力状态、安全状态和质量等级,进而确定焊接性能等级和检查等级。评估流程的实现过程见图1。

ANSYS是开放二次开发的有限元分析软件,为用户提供的常用二次开发工具有:参数化设计语

言APDL、宏MARCO、用户可编程特性UFPs和用户界面设计语言UIDL。[6]鉴于ANSYS提供的界面开发功能较薄弱,且开发过程相对复杂,将程序简易、功能全面的工具命令语言TCL/TK利用在ANSYS的二次开发中。[7]利用APDL参数化设计语言编制宏程序,UIDL开发菜单界面,TCL/TK开发对话框界面,可形成一套完整的用户图形界面。[8]基于以上思路,建立UIDL自定义菜单(见图2),用于调用TCL/TK自定义程序界面(见图3)。

3 T型承载接头的焊缝质量评估实例

以BS 7608—1993标准[9]提供的钢质、受拉标准T型承载接头(见图4)为例,分别采用名义应力标准和结构应力标准2种方法对接头焊缝进行评估,验证焊接接头焊缝质量评估的完整流程。

3.1 结构参数和静强度校核

材料参数和模型尺寸见表5,建立标准T型承载接头有限元模型(见图5),纵向拉伸载荷为5 100 N。

3.2 基于名义应力的疲劳强度校核

通过名义应力计算方法对该接头进行名义应力评估,在ANSYS中调用基于TCL/TK开发的程序界面中的名义应力计算模块,定义单元和节点,通过程序计算得到焊线上各节点的名义应力值σn为35.83 MPa。

3.3 基于结构应力的疲劳强度校核

采用fesafe中的Verity模块进行结构应力计算,得到焊线上各个节点的结构应力分布,见图7。

3.4 标准许用应力与SCF

根据BS EN 15085标准中计算应力等级的方法,分别计算名义应力和结构应力关于疲劳标准中

许用名义应力

σref的应力因数。σref为依据疲劳标准中SN曲线计算公式求出的

许用

疲劳应力,可通过自定义界面程序中的参考应力计算模块进行计算。此处计算得到的σref为40 MPa。

令SCF等于等效结构应力与名义应力的比值,作为标准接头中名义应力与等效结构应力互相转换的中介,在已知其中任意一个应力的情况下,利用该因数即可求得另一个应力值。[10]

3.5 计算结果与分析

焊线节点应力分布和SCF见表6。根据BS EN 15085标准中关于安全等级的确定方法,确定焊接接头安全等级(鉴于算例使用的是承载接头,此处设定安全等级为中)。根据应力等级、安全等级要求和焊接性能等级,可确定焊接接头检查等级。

应力等级为高,安全等级为中,则焊接性能等级为

CP B,焊接检查等级为CT 2,即可确定该焊缝所需的检查方法。

4 结 论

(1)基于BS EN 15085标准,对焊接结构进行典型焊缝接头质量评估方法的研究,分析焊接接头评估流程,引入SCF,有利于提高接头设计效率。

(2)基于ANSYS进行二次开发,建立UIDL自定义菜单,利用TCL/TK开发用户程序界面,进行模块化计算。

(3)采用BS 7608—1993标准中的标准接头作为计算实例,建立有限元模型,校核静强度,分别计算名义应力、结构应力和SCF。按照BS EN 15085标准评估流程,确定焊接接头的应力等级,根据接头的安全性要求,确定焊缝的安全等级和检验等级,为轨道交通装备焊接结构设计提供参考。

参考文献:

[1] 铁路上的应用——铁路车辆及其部件的焊接: BS EN 15085—2007[S].

[2] 周东海, 李加良. 在铁路货车行业推行欧洲标准BS EN 15085“轨道车辆及其零部件的焊接”[J]. 焊接, 2010(6): 1921.

[3] 朱志民. 基于BS EN 15085焊接质量体系的管理和应用[J]. 焊接, 2010(11): 5759.

[4] 刘洋, 莘海萍, 李良杰. 基于BS EN 15085标准的牵引动力系统的构架设计[J]. 机车电传动, 2013(5): 3537. DOI: 10.13890/j.issn.1000128x.2013.05.013.

[5] 兆文忠, 李季涛, 方吉. 轨道车辆焊接结构抗疲劳设计过程中的认识误区[J]. 大连交通大学学报, 2016, 37(5): 17. DOI: 10.3969/j.issn.16739590.2016.05.001.

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