肖以顺 刘合峰 冯正明

摘 要：客车在使用过程中，运行的安全性是人们最为关注的内容，同时也是保证交通运输的重要因素。而客车骨架的接头焊缝，对客车的使用质量具有重要影响。文章通过对客车侧围结构接头局部模型进行分析，提供了多种焊缝间距的疲劳性能对比结果，对焊缝间距和疲劳之间的关系进行了初步的分析判断。

关键词：客车骨架;焊缝间距;疲劳

中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）04-124-03

Exploring the Fatigue Analysis of the Weld Spacing of the Side Joint Structureof Passenger Cars

Xiao Yishun， Liu Hefeng， Feng Zhengming

（ Zhongtong Bus Co.， Ltd.， Shandong Liaocheng 252000 ）

Abstract： During the use of passenger cars， the safety of operation is the most concerned content of people， and it is also an important factor to ensure transportation. The joint weld of the passenger car skeleton has an important influence on the quality of the passenger car. In this paper， the local model of the side joint structure of passenger car is analyzed， and the fatigue performance comparison results of various weld spacings are provided. The relationship between weld spacing and fatigue is analyzed and judged.

Keywords： Passenger car skeleton; Weld spacing; Fatigue

CLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）04-124-03

前言

疲劳失效在汽车零件中是比较常见的一种文体，客车作为一种高性能运转的交通工具，其在使用过程中受到的振动和冲击较为频繁，易出现疲劳损坏文体，而在进行客车车身的设计时，可以通过有限元的疲劳CAE对不同零件的疲劳进行确认，最大程度上避免零件的不合理寿命分布。而对于骨架上的焊接接头，其数量是非常多的，一方面是由于客车的车型结构，另外则是当前的工艺还达不到一体化的客车结构制造。而骨架上的焊接焊缝间距，其是影响客车疲劳性能的重要因素之一。

1 焊接结构疲劳原因及现状分析

对于焊接工藝，其最早出现在20世纪初期，随着该技术的不断研究深入，其已经成为当前工业生产中的重要施工技术之一，目前，焊接工艺被广泛应用在造船、铁路和汽车等领域，起到了非常重要的作用。而疲劳损坏一直都是焊接工艺的弊病之一，由于材料结构而产生的疲劳裂纹，很容易使汽车结构发生严重的损伤，从而影响其安全使用。

对于焊接结构疲劳失效，其主要是因为以下几点原因：首先，焊接接头在静承载能力上一点也不属于母材，但在动态承载过程中，由于焊接接头和焊接形式的影响，使得其在使用过程中容易出现过早失效问题;然后，对于早期的焊接结构设计，其主要是为了满足静态结构，对焊接的疲劳失效重视程度不足，造成很多焊接结构的疲劳设计并不完善，甚至完全没有，这就使得早期的客车骨架结构在使用过程中容易出现焊接接头位置疲劳问题;另外，对于早期的焊接设计人员，其对焊接结构的抗疲劳性能了解不足，在进行焊接设计时往往会照搬其他金属材料的疲劳性能，从而使得早期的客车在使用过程中非常容易出现骨架焊接结构异常问题，影响其正常使用。^[1]伴随着客车的结构不断改变，其在人们生活中的使用频率也在逐渐增加，人们对客车的安全性能重视程度不断提高，从而对客车的焊接质量重视程度也在逐渐增加。

2 不同焊缝间距对疲劳的影响研究

对于客车来说，其骨架是整个车身的承载构件，同时为了能够更好的提升承载能力，往往需要在客车的骨架侧围设置一些斜撑，这样来提升客车的整体承载标准。根据不同的焊接工艺，在进行焊接时需要将焊缝和立柱焊缝之间预留一定的空隙，这样才能够保证焊缝的结构性能符合标准。

为了能够更好的提升研究效率，在本文中选择了客车侧围的一个局部结构，通过对不同焊缝间距进行分析，了解焊缝间距对整个骨架疲劳的影响。根据客车的骨架结构设立对应的有限元分析模型，选取其中的研究位置进行重点研究和建模分析，确认其影响参数和可能的影响数据。

2.1 研究模型的提取

为了能够通过模型更加准确的反应客车的骨架情况，本文从客车的车身侧围上选取了一段局部结构，通过对这一结构进行确认，建立了对应的简化模型，模型的长度控制在3400mm，高度设定在680mm一下，模型材料选择的是20#钢，通过数据调查得知，该材料的弹性模量E=2.06×10¹¹Pa，泊松比数据为0.3通过模型能够更加直观的了解客车骨架局部材料的应力情况，通过梁-壳混合模型来对整个模型进行构建，通过壳单元对结构位置进行网格划分，由于这一部分的精度相对较高，单元格的划分是以2mm作为单位;而对于接头意外的位置，其是通过100m的单元进行网格划分的。在本次研究工作中，焊缝间距设定数值为5/7.5/10/20/30和40mm，不同的焊缝间距分别绘制成对应的CAE模型，这样能够更加方便观察不同焊缝间距下的客车骨架疲劳情况。^[2]

2.2 应力分析

通過对当前的客车应用情况进行调查，本文主要选择了当前比较常见的6种模型，并对其进行弯曲应力的对比分析。将模型的左端进行完全的固定，然后在Z方向上施加1000N 的力，从而使模型结构能够在XZ平面内发生弯曲变形。对于不同焊缝间距的模型分别进行弯曲测试，能够得到不同焊缝间距下的模型接头应力分部须情况，将其绘制成对应的应力-间距曲线图，分析焊缝对应力的影响。

通过上图可以发现，最大的应力处于斜撑和立柱之间的缝隙位置，通过对应力数据进行分析，当焊缝间距为5mm时，焊缝位置处的应力最大，可以达到42.9MPa，而当焊缝间距在7.5mm时，应力的水平最低，最大应力大概为24.6 MPa。通过数据对比和图形观察可以发现，焊缝间距和应力之间存在着一定的比例关系，当焊缝间距在7.5mm以下时，其应力随着焊缝得到变化而呈现较大的变化趋势，而当焊缝间距超过约8mm时，其变化趋势相对减小。

2.3 不同焊缝间距模型的疲劳分析

通过对不同模型的疲劳寿命差距影响分析，可以确认到不同焊缝间距对疲劳的影响效果。由于客车骨架结构的疲劳无法通过数据直接进行展示，只能通过焊缝连接位置处的应力变化情况来侧面反映焊缝间距对疲劳的影响。结合现有的应力分析结果和分析软件，建立对应的对称循环荷载曲线，从而方便研究人员对疲劳寿命进行更加准确的计算。但对于本次研究的数据发现，其中的7.5mm和10mm的焊缝间距得到的数据为无限寿命，因此，这一计算仍然存在着一定的不足。为了能够更好的突出焊缝间距对疲劳寿命的影响，本文对荷载系数进行了增加，从而能够更加方便的计算出客车骨架的疲劳寿命受到的影响。通过对应的数据分析可以发现，不同模型的疲劳寿命分布规律是相同的，且最小寿命值基本上都出现在立柱和斜撑的缝隙位置处，这表明寿命的最小值和焊缝间距之间具有直接的对应关系。^[3]

通过对荷载增加前后的寿命数据进行对比发现，不同模型的最小寿命之间相差非常大，这表明随着荷载系数的增加，不同的焊缝间距对寿命的影响逐渐增加，且增加的比例较大。将对应的疲劳寿命曲线和应力曲线汇整到一起观察，可以发现两者呈现一种反向变化，在应力最大的情况时，模型的最小寿命也最小。

3 骨架接头位置焊缝改善措施

在客车骨架的焊缝位置处，应力是造成疲劳问题的主要影响因素，如何调整应力是当前对提升客车疲劳性能的重要措施。首先是预过载法，这种方法指的是通过含有应力集中的试样进行拉伸荷载，指导其缺口的位置处出现了一定的拉伸塑性变形，在卸载之后，其缺口位置及其周围的压缩应力也会得到一定的提升。

而受到这一试样的影响，在后续的疲劳测试中，其应力范围也会发生明显的减少，从而提升焊接接头位置处的疲劳强度。然后是局部加热方法，这一方法是通过局部的加热处理来对焊接位置及其周围残留的应力进行消除，通过对周围的应力进行集中的压缩，能够调整接头位置处的疲劳强度，对于这种方法，其在当前仅仅应用于纵向非连续焊缝施工中。而对于单面的角接板，加热的位置是固定的，而对于双面角接班，其需要选择板件的重心，这样才能够实现压缩应力的效果。

4 总结

对于客车骨架接头焊缝间距，其对焊接位置的疲劳性能具有直接的影响，且焊缝间距的影响呈现一种二元曲线的效果，在最低点时才能够保证焊接位置处的疲劳性能最佳。在进行客车骨架接头焊缝设计时，需要根据不同的材质和荷载选择最佳的焊缝，这样才能够保证客车骨架的使用质量。

参考文献

[1] 叶凡，魏国前，余茜，李山山.复杂形状焊缝疲劳裂纹演变过程仿真[J].电焊机，2019，49（09）：103-109.

[2] 吉伯海，徐捷，姚悦，傅中秋.考虑荷载影响面的钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳损伤分析[J/OL].重庆交通大学学报（自然科学版）：1-9.

[3] 高剑峰，那景新，闫亚坤.客车骨架接头焊缝间距对疲劳性能的影响[J].北京工业大学学报，2012，38（05）：668-671+694.