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摘要：转向架是单轨车辆核心的部件之一，承担着车辆的牵引、制动和承载作用，直接影响到车辆运行的安全性和可靠性。其中构架又是转向架的承载主体，传递并衰减轮轨与车体的振动。宽轮距转向架构架通过焊接和大量螺栓连接，事实上，在复杂的动载荷作用下，疲劳破坏主要从焊缝和螺栓连接处开始。对于焊接结构，由于焊接接头部位存在较大的应力集中，且常伴随有各种焊接缺陷，因而是最容易发生疲劳破坏的区域。所以焊缝结构疲劳分析及优化在设计阶段尤为重要。
Abstract： Bogie is one of the core components of monorail vehicle， which undertakes the traction， braking and load-bearing functions of vehicle， and directly affects the safety and reliability of vehicle operation. The frame is the main load-bearing body of bogie， which transmits and attenuates the vibration of wheel rail and car body. The frame of wide track bogie is connected by welding and a large number of bolts. The fatigue failure of the connection structure will affect the service life of the whole bogie. In fact， under the complex dynamic load， the fatigue failure mainly starts from the weld and bolt connection. For the welded structure， due to the large stress concentration in the welded joint， and often accompanied by a variety of welding defects， it is the most prone to fatigue failure area. For bolted connection， most of the bolt failure is fatigue failure， so the fatigue analysis of weld and bolt structure is particularly important in the design stage.
关键词：转向架构架;焊缝类型;焊缝疲劳
Key words： bogie frame;weld type;weld fatigue
中图分类号：U260.331 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）05-0096-02
1 焊缝疲劳分析及优化
焊接接头的基本形式分为对接接头、T形接头、角接接头，搭接接头四种形式。还有特殊的接头形式。本文研究的宽轮距转向架构架焊缝形式均为T型焊接接头，T形接头是一焊件端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。这是一种用途仅次于对接接头的接头形式，根据单个T型接头的焊接形式，可分为单面型焊缝、双面型焊缝以及混合性焊缝。
1.1 单面型焊缝
单面型焊缝是指只在焊件的一面进行焊接。有单面角焊缝、HY型焊缝、HV型焊缝。
①单面角焊缝。
单面角焊缝两焊件边缘互相垂直，在焊件表面相交处进行焊接。属于角焊缝类型。缺点是单面焊跟部有很深缺口，容易开裂，因此承载能力较低，但是能够传递力和力矩。
②HV型焊缝。
HV型焊缝是焊件完全熔透，熔深等于母材厚度。属于对接焊缝类型。这种焊缝形式能够承受较大的交变载荷。
③HY型焊缝。
HY型焊缝是半熔透状态，熔深为80%母材厚度。属于单面角焊缝和HV型焊缝之间的焊缝类型。这种焊缝形式特点具有单面角焊缝和HV。
1.2 双面型焊缝
双面型焊缝是在接头的两侧施焊的焊接。用双面坡口形成双面焊缝的坡口，然后焊接起来就构成了双面焊缝。相较于单面型焊缝，双面焊的搭接长度較短，传力途径沿焊件轴线，工程上优先使用双面焊。但在焊接空间受限的情况下，会考虑用单面焊。
1.3 组合型焊缝
组合焊缝有两类：
①一类是指由两种不同形式焊缝所组合而成的焊缝，通常指对接焊缝和角焊缝，一般用于开坡口后进行全焊透焊，焊后形成具有一定焊脚的焊缝。
②另一类是指由两种或两种以上不同焊接方法在同一接头中施焊所形成焊缝。较为常见的是HY型-单面角组合焊缝，既能传递力和力矩，又能承受较大的交变载荷。
2 焊缝有限元模型建立
采用Hypermesh建立包括端梁和电机箱焊缝的有限元模型，焊缝单元采用rule单元模拟，为了模型的精确度，焊缝单元周围不能出现三角形单元，焊缝单元的大小根据板厚来定，一般为最小板厚的2倍，对于焊缝材料，本文采用与壳单元相同的材料Q345B，局部焊缝模型如图1所示。 3 焊缝疲劳寿命分析
3.1 定义焊缝
在疲劳分析软件femfat可视化模块visualizer中进行焊缝的定义，按照T型焊缝标准定义好所有焊缝。然后保存为wdf文件导入femfat计算模块[1-2]。
3.2 焊缝材料S-N曲线
本次計算的构架端梁、电机箱焊缝材料采用Q345B钢，利用材料S-N曲线经验合成技术，输入主要参数以及材料种类后将直接得到近似的材料S-N曲线和应力极限图[3]，如图2所示。
3.3 焊缝疲劳分析载荷谱获取
通过动力学仿真技术，根据重庆线当下2、3号线单轨交通轨道梁，选择多体动力学软件ADAMS中的A级路面，调用ADAMS中建立好的宽轨车辆动力学仿真模型，输出满载直线行驶工况下0-20s时间内的转向架左右空气弹簧座垂向、导向轮横向以及走行轮垂向载荷时间历程。
3.4 求解计算
在对宽轮距进行焊缝疲劳分析时，存活率设置为99%，S-N曲线采用平均应力进行修正[4]。用弯道占比20%的载荷谱。通过疲劳分析软件femfat计算得到焊缝疲劳寿命结果如图3所示。
3.5 焊缝疲劳优化
根据1.1介绍的焊缝形式，在疲劳分析软件femfat可视化模块visualizer中，对疲劳寿命最低的焊缝周围重新进行焊缝的定义，然后将定义好的焊缝保存为wdf文件导入femfat计算模块，继续选择弯道占比20%载荷谱，其它设置不变，得到焊缝疲劳寿命云图如表1所示。将其中焊缝疲劳寿命进行比较，HV型焊缝形式的循环次数最高，为1.563108次，更能满足转向架构架疲劳强度要求。
4 结论
本文以宽轮距转向架构架为研究对象，考虑不同焊缝类型对转向架焊接构件疲劳寿命的影响，建立了包含焊缝结构的转向架有限元模型，通过对转向架构架端梁处焊缝进行了优化，得出如下结论：
①HY型焊缝疲劳寿命相较于其它焊缝类型，寿命最低，为9.866×107。
②HV型T型焊缝疲劳寿命最高，为1.563×108，较原单面角型T型焊缝的疲劳寿命提高了19.96%。对实际工程优先考虑该焊缝类型具有参考价值。
参考文献：
[1]邓威进.基于FEMFAT的发动机BSG支架疲劳强度研究[J].湖北农机化，2019（013）：96.
[2]赵世宜.基于FEMFAT的白车身疲劳分析[J].汽车实用技术，2014（004）：84-86.
[3]陈得意.跨座式单轨车辆转向架构架结构强度分析与优化[D].重庆：重庆交通大学，2015.
[4]杜子学，马帅，杨震，等.跨坐式单轨车辆转向架构架疲劳寿命预测研究[J].城市轨道交通研究，2019（8）.
Abstract： Bogie is one of the core components of monorail vehicle， which undertakes the traction， braking and load-bearing functions of vehicle， and directly affects the safety and reliability of vehicle operation. The frame is the main load-bearing body of bogie， which transmits and attenuates the vibration of wheel rail and car body. The frame of wide track bogie is connected by welding and a large number of bolts. The fatigue failure of the connection structure will affect the service life of the whole bogie. In fact， under the complex dynamic load， the fatigue failure mainly starts from the weld and bolt connection. For the welded structure， due to the large stress concentration in the welded joint， and often accompanied by a variety of welding defects， it is the most prone to fatigue failure area. For bolted connection， most of the bolt failure is fatigue failure， so the fatigue analysis of weld and bolt structure is particularly important in the design stage.
关键词：转向架构架;焊缝类型;焊缝疲劳
Key words： bogie frame;weld type;weld fatigue
中图分类号：U260.331 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）05-0096-02
1 焊缝疲劳分析及优化
焊接接头的基本形式分为对接接头、T形接头、角接接头，搭接接头四种形式。还有特殊的接头形式。本文研究的宽轮距转向架构架焊缝形式均为T型焊接接头，T形接头是一焊件端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。这是一种用途仅次于对接接头的接头形式，根据单个T型接头的焊接形式，可分为单面型焊缝、双面型焊缝以及混合性焊缝。
1.1 单面型焊缝
单面型焊缝是指只在焊件的一面进行焊接。有单面角焊缝、HY型焊缝、HV型焊缝。
①单面角焊缝。
单面角焊缝两焊件边缘互相垂直，在焊件表面相交处进行焊接。属于角焊缝类型。缺点是单面焊跟部有很深缺口，容易开裂，因此承载能力较低，但是能够传递力和力矩。
②HV型焊缝。
HV型焊缝是焊件完全熔透，熔深等于母材厚度。属于对接焊缝类型。这种焊缝形式能够承受较大的交变载荷。
③HY型焊缝。
HY型焊缝是半熔透状态，熔深为80%母材厚度。属于单面角焊缝和HV型焊缝之间的焊缝类型。这种焊缝形式特点具有单面角焊缝和HV。
1.2 双面型焊缝
双面型焊缝是在接头的两侧施焊的焊接。用双面坡口形成双面焊缝的坡口，然后焊接起来就构成了双面焊缝。相较于单面型焊缝，双面焊的搭接长度較短，传力途径沿焊件轴线，工程上优先使用双面焊。但在焊接空间受限的情况下，会考虑用单面焊。
1.3 组合型焊缝
组合焊缝有两类：
①一类是指由两种不同形式焊缝所组合而成的焊缝，通常指对接焊缝和角焊缝，一般用于开坡口后进行全焊透焊，焊后形成具有一定焊脚的焊缝。
②另一类是指由两种或两种以上不同焊接方法在同一接头中施焊所形成焊缝。较为常见的是HY型-单面角组合焊缝，既能传递力和力矩，又能承受较大的交变载荷。
2 焊缝有限元模型建立
采用Hypermesh建立包括端梁和电机箱焊缝的有限元模型，焊缝单元采用rule单元模拟，为了模型的精确度，焊缝单元周围不能出现三角形单元，焊缝单元的大小根据板厚来定，一般为最小板厚的2倍，对于焊缝材料，本文采用与壳单元相同的材料Q345B，局部焊缝模型如图1所示。 3 焊缝疲劳寿命分析
3.1 定义焊缝
在疲劳分析软件femfat可视化模块visualizer中进行焊缝的定义，按照T型焊缝标准定义好所有焊缝。然后保存为wdf文件导入femfat计算模块[1-2]。
3.2 焊缝材料S-N曲线
本次計算的构架端梁、电机箱焊缝材料采用Q345B钢，利用材料S-N曲线经验合成技术，输入主要参数以及材料种类后将直接得到近似的材料S-N曲线和应力极限图[3]，如图2所示。
3.3 焊缝疲劳分析载荷谱获取
通过动力学仿真技术，根据重庆线当下2、3号线单轨交通轨道梁，选择多体动力学软件ADAMS中的A级路面，调用ADAMS中建立好的宽轨车辆动力学仿真模型，输出满载直线行驶工况下0-20s时间内的转向架左右空气弹簧座垂向、导向轮横向以及走行轮垂向载荷时间历程。
3.4 求解计算
在对宽轮距进行焊缝疲劳分析时，存活率设置为99%，S-N曲线采用平均应力进行修正[4]。用弯道占比20%的载荷谱。通过疲劳分析软件femfat计算得到焊缝疲劳寿命结果如图3所示。
3.5 焊缝疲劳优化
根据1.1介绍的焊缝形式，在疲劳分析软件femfat可视化模块visualizer中，对疲劳寿命最低的焊缝周围重新进行焊缝的定义，然后将定义好的焊缝保存为wdf文件导入femfat计算模块，继续选择弯道占比20%载荷谱，其它设置不变，得到焊缝疲劳寿命云图如表1所示。将其中焊缝疲劳寿命进行比较，HV型焊缝形式的循环次数最高，为1.563108次，更能满足转向架构架疲劳强度要求。
4 结论
本文以宽轮距转向架构架为研究对象，考虑不同焊缝类型对转向架焊接构件疲劳寿命的影响，建立了包含焊缝结构的转向架有限元模型，通过对转向架构架端梁处焊缝进行了优化，得出如下结论：
①HY型焊缝疲劳寿命相较于其它焊缝类型，寿命最低，为9.866×107。
②HV型T型焊缝疲劳寿命最高，为1.563×108，较原单面角型T型焊缝的疲劳寿命提高了19.96%。对实际工程优先考虑该焊缝类型具有参考价值。
参考文献：
[1]邓威进.基于FEMFAT的发动机BSG支架疲劳强度研究[J].湖北农机化，2019（013）：96.
[2]赵世宜.基于FEMFAT的白车身疲劳分析[J].汽车实用技术，2014（004）：84-86.
[3]陈得意.跨座式单轨车辆转向架构架结构强度分析与优化[D].重庆：重庆交通大学，2015.
[4]杜子学，马帅，杨震，等.跨坐式单轨车辆转向架构架疲劳寿命预测研究[J].城市轨道交通研究，2019（8）.