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摘 要：为研究焊接接头局部力学特征引入弹性缺口应力法，以此分析复杂焊接构件疲劳强度。笔者以Neuber应力平均概念进行探讨，在分析缺口应力的有限元分析中局部模型的边界条件控制采用节点力法，和位移法相比能够更好避免应力不集中分布不均的情况。运用缺口应力法对机车的焊接构架进行疲劳分析，可以建立起焊接部件新型疲劳评估法。
关键词：缺口应力法;机车焊接构架;疲劳分析;运用
对焊接部件产生裂纹之后寿命的评估方式从整体到局部有不同的评估方式，如应力法和弹性缺口应力法等，这些方式的基本原理都是确定焊接结构细节位置上的应力参数，再使用对应的曲线计算出疲劳强度损伤理论和最终的疲劳损伤，存在的不同之处应力集中因素的不同。但是机车焊接构件属于复杂焊接构件，使用单一的评估方式很难完成评估，因此采用弹性缺口应力法，建立起关键焊接部件缺口模型分析其疲劳强度。
1.缺口应力
焊接接头在一定的外力作用下，根据不同迎来集中因素影响分类能够划分，接头表面的应力可以划分为多个区域，距离焊接趾较远的名义应力区域内应力的大小和截面尺寸相关，因此这个位置的应力相对稳定;结构应力区域内受到应力集中的影响应力会相对应增加，热点应力就是对这个区域内多个应力值推算出来的[1]。如果接近焊接趾前端存在局部缺口，应力会增加在趾端达到巅峰处，也就是缺口应力。焊趾处的疲劳裂纹一般都是从缺口处产生，沿着板厚方向扩展，所以在分析的时候准确分析焊接接头缺口应力，对于分析焊接部件疲劳强度有很现实的意义。
2.缺口模型应力分析
如果运用有限元方式分析焊接接头的缺口应力，需要在焊趾和焊根处构造虚拟缺口圆，以缺口内圆的最大应力作为缺口区域的真实应力。缺口圆内的最大应力计算得出缺口区域内真实的应力。缺口区域内的网格质量将直接影响其结果的准确性。对于复杂的焊接结构，要想直接建立起精细的缺口分析模型具有一定的难度，以此采取子模型、子结构法实现对缺口应力的准确求解。子模型的方式是使用整体结构模型分析荷载力的传递情况预防分配情况，经过子模型精细获得局部的应力应变特点。子模型的边界条件能够通过位移、节点力精细获取。因此在建立模型的时候需要确保子模型、全局模型之间相关联部分的刚度一致，否则难以满足建立模型的准确性。在现阶段运用的有限元分析软件中一般使用位移法，确定子模型的边界条件。这种方式对于边界均匀范围确定的网格模型有很大的效果。但是焊接缺口处网格十分密集，位移控制边界常常会引起应力集中、分布不均匀的情况，导致最终结果难以达到预期的效果。为解决这些问题，使用加载程序实现模型之间的节点力传递，施加较弱的弹性约束来完成求解，能够缓解这些问题。子结构方式是将局部模型凝聚为超级单元镶嵌在整体模型中，计算的时候设置耦合单元、接触面超级单元等之间的连接。这种方式能够很好的保证模型之间的刚度，但是精准度很差。
3. 缺口应力法的运用
3.1建立起有限元模型
焊接构件属于机车转向架中重要的构件，对于现阶段的机车而言目前的试验方法很难合理运用，运用有限元方式评估构架的疲劳强度，具有很强的可行性。以处于某设计阶段的四轴机车焊接构件为例，利用ANSYS 有限元分析软件建立起局部有限元模型。建立模型的时候不考虑焊接缝头的细节，截取侧梁中部位置的焊接接头建立起模型。
3.2疲劳荷载
焊接构架的疲劳荷载主要包括车辆重量引起的静态荷载、通过曲线的生活侧面滚动引起的准静态荷载、模拟车体振动的动态荷载[2]。在讨论的过程只能怪以垂向力引起的结构疲劳损伤为主要的方向。在加载的时候分为三个阶段进行，第一个阶段加载所有荷载，二三阶段保持静态不变。
3.3局部焊接接头应力
在上图中侧梁局部焊接接头位置出选择五个观测点，通过对缺口模型的有限元分析能够获得这几个位置的应力状态。整个过程处于线性分析，保持应力方向不变与载荷之间是正比关系，因此只需要计算静态荷载下的受力情况就能够推导出其他的情况。
3.4焊接接头疲劳评估
根据构架局部应力状态和循环状态计算出构架局部的主应力幅度、疲劳损伤度，最后计算出最终的结果超过了临界值。角焊缝在没有焊透的情况下焊根处发生疲劳破坏的可能性很大，因此在工程运用的过程中往往采用多道焊接工艺，确保构架主焊缝都能够焊接透彻，避免从根部产生疲劳裂纹。
结语：
由于弹性缺口应力法在国内焊接构件疲劳分析中的运用并不频繁，因此在国内的运用还需要不断挖掘和深入。使用有限元方式建立焊接构件的整体、局部模型，通过对节点力控制实现求解，可以解决位移传递边界引起的应力集中情况。
参考文献：
[1] 胡鑫， 严仁军， 谌伟， et al. 基于缺口应力法的IIW多轴疲劳准则分析[J]. 焊接学报， 2019（7）：77-81.
[2] 王艺陶， 冯国庆， 任慧龙. 考虑残余应力的加筋板结构疲劳裂纹应力强度因子计算方法研究[J]. 船舶力學， 2019（7）.
关键词：缺口应力法;机车焊接构架;疲劳分析;运用
对焊接部件产生裂纹之后寿命的评估方式从整体到局部有不同的评估方式，如应力法和弹性缺口应力法等，这些方式的基本原理都是确定焊接结构细节位置上的应力参数，再使用对应的曲线计算出疲劳强度损伤理论和最终的疲劳损伤，存在的不同之处应力集中因素的不同。但是机车焊接构件属于复杂焊接构件，使用单一的评估方式很难完成评估，因此采用弹性缺口应力法，建立起关键焊接部件缺口模型分析其疲劳强度。
1.缺口应力
焊接接头在一定的外力作用下，根据不同迎来集中因素影响分类能够划分，接头表面的应力可以划分为多个区域，距离焊接趾较远的名义应力区域内应力的大小和截面尺寸相关，因此这个位置的应力相对稳定;结构应力区域内受到应力集中的影响应力会相对应增加，热点应力就是对这个区域内多个应力值推算出来的[1]。如果接近焊接趾前端存在局部缺口，应力会增加在趾端达到巅峰处，也就是缺口应力。焊趾处的疲劳裂纹一般都是从缺口处产生，沿着板厚方向扩展，所以在分析的时候准确分析焊接接头缺口应力，对于分析焊接部件疲劳强度有很现实的意义。
2.缺口模型应力分析
如果运用有限元方式分析焊接接头的缺口应力，需要在焊趾和焊根处构造虚拟缺口圆，以缺口内圆的最大应力作为缺口区域的真实应力。缺口圆内的最大应力计算得出缺口区域内真实的应力。缺口区域内的网格质量将直接影响其结果的准确性。对于复杂的焊接结构，要想直接建立起精细的缺口分析模型具有一定的难度，以此采取子模型、子结构法实现对缺口应力的准确求解。子模型的方式是使用整体结构模型分析荷载力的传递情况预防分配情况，经过子模型精细获得局部的应力应变特点。子模型的边界条件能够通过位移、节点力精细获取。因此在建立模型的时候需要确保子模型、全局模型之间相关联部分的刚度一致，否则难以满足建立模型的准确性。在现阶段运用的有限元分析软件中一般使用位移法，确定子模型的边界条件。这种方式对于边界均匀范围确定的网格模型有很大的效果。但是焊接缺口处网格十分密集，位移控制边界常常会引起应力集中、分布不均匀的情况，导致最终结果难以达到预期的效果。为解决这些问题，使用加载程序实现模型之间的节点力传递，施加较弱的弹性约束来完成求解，能够缓解这些问题。子结构方式是将局部模型凝聚为超级单元镶嵌在整体模型中，计算的时候设置耦合单元、接触面超级单元等之间的连接。这种方式能够很好的保证模型之间的刚度，但是精准度很差。
3. 缺口应力法的运用
3.1建立起有限元模型
焊接构件属于机车转向架中重要的构件，对于现阶段的机车而言目前的试验方法很难合理运用，运用有限元方式评估构架的疲劳强度，具有很强的可行性。以处于某设计阶段的四轴机车焊接构件为例，利用ANSYS 有限元分析软件建立起局部有限元模型。建立模型的时候不考虑焊接缝头的细节，截取侧梁中部位置的焊接接头建立起模型。
3.2疲劳荷载
焊接构架的疲劳荷载主要包括车辆重量引起的静态荷载、通过曲线的生活侧面滚动引起的准静态荷载、模拟车体振动的动态荷载[2]。在讨论的过程只能怪以垂向力引起的结构疲劳损伤为主要的方向。在加载的时候分为三个阶段进行，第一个阶段加载所有荷载，二三阶段保持静态不变。
3.3局部焊接接头应力
在上图中侧梁局部焊接接头位置出选择五个观测点，通过对缺口模型的有限元分析能够获得这几个位置的应力状态。整个过程处于线性分析，保持应力方向不变与载荷之间是正比关系，因此只需要计算静态荷载下的受力情况就能够推导出其他的情况。
3.4焊接接头疲劳评估
根据构架局部应力状态和循环状态计算出构架局部的主应力幅度、疲劳损伤度，最后计算出最终的结果超过了临界值。角焊缝在没有焊透的情况下焊根处发生疲劳破坏的可能性很大，因此在工程运用的过程中往往采用多道焊接工艺，确保构架主焊缝都能够焊接透彻，避免从根部产生疲劳裂纹。
结语：
由于弹性缺口应力法在国内焊接构件疲劳分析中的运用并不频繁，因此在国内的运用还需要不断挖掘和深入。使用有限元方式建立焊接构件的整体、局部模型，通过对节点力控制实现求解，可以解决位移传递边界引起的应力集中情况。
参考文献：
[1] 胡鑫， 严仁军， 谌伟， et al. 基于缺口应力法的IIW多轴疲劳准则分析[J]. 焊接学报， 2019（7）：77-81.
[2] 王艺陶， 冯国庆， 任慧龙. 考虑残余应力的加筋板结构疲劳裂纹应力强度因子计算方法研究[J]. 船舶力學， 2019（7）.