焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究.doc

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It is indicated that the fatigue effect of welding residual stresses must be emphasized in the fatigue design, strength assessment and life prediction of welded joints of rolling stock welded loaded structures. Appropriate methods should be adapted reasonable considering its effect, according to the practical structural geometry, pattern of the welded joints, load conditions, true distribution of residual stresses and so on. Key words: welding residual stresses; steel structures; welded joints; fatigue effect; rolling stock; fatigue analysis ０引言近年来，随着铁路运输跨越式发展战略的实施，为满足客运高速、货运重载及快速的各项技术和运行性能指标，焊接承载结构轻量化设计技术和中高强度钢得到了广泛应用。一方面，速度提高和载重增大都将导致结构部件承受的静、动应力大幅上升，疲劳加载更为恶劣；另一方面，高强钢与低强钢制成的焊接构件几乎具有相同的疲劳强度，各接头危险部位的疲劳抗力并未得到相应提高。因此，焊接承载结构的疲劳问题变得十分突出，新近投入运用的机车车辆产品收稿日期：２００８－０９－２１；收修改稿日期：２００８－１２－２９基金项目：国家科技支撑计划项目（２００７ＢＡＧ０５Ｂ００）；教育部基金项目：高等学校骨干教师资助计划项目 — ２４ — 频繁发生焊缝疲劳破坏［１￣３］。鉴于此，当前焊接结构的疲劳研究在机车车辆行业开始得到广泛关注和重视，研究重点集中于利用现有行业标准（如美国铁路学会ＡＡＲ标准）或借鉴其他行业及国外设计规范（如国际焊接协会ＩＩＷ规范，英国标准学会ＢＳ　７６０８规程等）提供的分析方法和数据，对各焊接承载部件进行疲劳强度评定及寿命预测［４￣６］。众所周知，焊接结构的疲劳极为复杂，其分析精度直接依赖于各环节及影响因素的合理考虑［７￣１０］。尽管当前国内外各行业均已建立起了较为完善的焊接构件疲劳设计方法和支撑数据库，且在实际工程应用中［１１２０］￣也趋于成熟，但由于影响焊接构件疲劳性能的因素众多，且各因素间又存在错综复杂的交互作用，许多问题仍未研究清楚，焊接结构的疲劳仍是当前国际第２期周张义，李芾：焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究上的研究热门。至今，国内外研究文献和工业设计标准在不同分析环节及对各疲劳影响因素的考虑方式上均存在争论，未能完全达成一致。尤其是对于国内机车车辆行业，焊接承载结构的疲劳研究和工程分析应用还处于起步阶段，标准化的疲劳设计方法和数据尚未建立，缺乏对焊接结构疲劳的全方面细致深入研究。基于此，本文将重点针对焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响作用，在分析和参考国际上特别是国外的研究成果及对各设计标准进行比较的基础上，就相关内容进行详细和深入的探讨，提出在机车车辆焊接承载结构的疲劳设计及评定中，必须重视焊接残余应力的疲劳影响作用，并采取适当方法予以合理考虑。１焊接残余应力分析１．１焊接残余应力形成及分布各种制造工艺如铸造、锻造、轧制、挤压及焊接等均可在产品内部产生残余应力，其中焊接工艺尤其突出。残余应力是一组作用在结构不同部位的拉压应力自平衡力系，其存在独立于外部载荷。焊接结构中，残余应力是在整个焊接快速加热及后续冷却的局部温度变化过程中，由于热源及其临近区域材料的膨胀和收缩受到低温区材料约束作用抑制，局部区域发生塑性变形，而最终在冷却状态的焊缝接头区域形成自相平衡的拉压应力系统［７］，如图１所示。通常情况下，焊缝及临近热影响区分布着拉应力，且其值较高，往往可达到材料的屈服极限。有在残余压应力区叠加应力值也达到屈服极限才会导致最终失效。对于弹性失稳，当潜在的屈曲部位分布着残余压应力时，可见其临界失效外加压应力值将较无残余应力时要小，即焊接残余应力影响其承载性能，但这种影响取决于整体或至少是较大部分截面上的残余应力分布状态。然而，对于动态承载部件，其疲劳性能由局部结构应力集中点的应力状态决定。应力范围和平均应力同时影响疲劳强度，在给定疲劳寿命下，许用应力范围随平均应力的增大而减小。对于焊接结构，应力集中点常与高焊接残余应力点重合。当视残余应力为静态加载应力时，可见其将改变外加应力循环的平均应力值，因此可以预期在给定疲劳寿命下，残余拉应力因可增大平均应力值而趋于降低许用应力范围，残余压应力因可减小平均应力值而趋于提高许用应力范围。因此，对于动态承载焊接部件，应主要关注焊缝接头应力集中局部区域的残余应力分布情况。２焊接残余应力的疲劳影响图１焊接残余应力的形成及分布特征１．２焊接残余应力的疲劳考虑对于弹塑性材料，焊接残余应力对结构静态和动态疲劳承载性能的影响完全不同［８］。在静态载荷下，塑性断裂和弹性失稳是结构的２种潜在失效方式。对于前者，焊接残余应力是否存在对其承载性能并无影响，这是由于作为一组自平衡力系，焊接残余应力与外加应力的叠加虽可在残余拉应力区很快达到屈服极限，但塑性断裂是整个承载截面发生全屈服的结果，即只２．１疲劳试验研究２０世纪６０年代之前，用于焊接结构工业设计的疲劳抗力极限数据或Ｓ－Ｎ曲线主要使用小尺寸接头试件的常幅疲劳试验结果导出。为验证焊接残余应力是否影响疲劳强度，Ｗｉｌｓｏｎ、Ｎｅｗｍａｎ、Ｎａｖｒｏｔｓｋｉｉ等分别对焊态及经应力释放的各种对接焊缝接头试件，在脉动拉伸循环载荷下进行了大量常幅疲劳试验。Ｇｕｒｎｅｙ对结果的综合分析表明：少数情况下应力释放并未改善疲劳强度，多数情况下尽管疲劳强度有所提高，但提高幅度很小，一般２００万次应力循环对应的疲劳强度提高约１０％，最大也仅提高约１７％［１０］。这些早期研究结果体现在工业疲劳设计标准中，认为焊接残余应力对结构疲劳强度的影响可忽略不计。Ｋｕｄｒｙａｖｔｓｅｖ、Ｔｒｕｆｙａｋｏｖ、Ｇｕｒｎｅｙ、Ｆｉｓｈｅｒ、Ｍａｄｄｏｘ、Ｏｈｔａ等随后进行的试验研究得出了相反的结论。认为由于早期疲劳试验使用的接头试件尺寸相当小，残余应力水平较低，且试验加载主要为脉动循环载荷，故焊接残余应力的疲劳强度影响有限。苏联学者Ｋｕｄｒｙａｖｔｓｅｖ和Ｔｒｕｆｙａｋｏｖ　［１０］最早发现残余应力对疲劳强度有显著影响，其分别使用一系列含残余应力水平较高的纵向不承载角焊缝和对接焊缝接头试件，进行交变弯曲常幅疲劳试验，首次得出高值残余拉应力的存在会导致焊缝接头长寿命区疲劳强度大幅降低的结论。如分别使用低强钢和高强钢制成的板端面纵向不承载角焊缝接头焊态件及应力释放件的交变弯曲疲劳试验结果均表明，应力释放工艺在２００万次循环下可提高疲劳强度近１５０％。英国焊接研究所学者Ｇｕｒｎｅｙ［１０，２１］随后使用板表面纵向不承载角焊缝接头试件，对残余拉应力和外载应 — ２５ — 机　　车　　电　　传　　动２００９年力比的疲劳强度联合影响进行了大量研究，其分别在４种应力比（－４，０及０．５）－１，下对焊态件及应力释放件进行常幅疲劳试验。结果表明：焊态试件在不同应力比外载作用下与应力范围表征的疲劳强度基本相同；当应力比为０及０．５时，应力释放件疲劳强度与焊态件基本相同，焊接残余应力对脉动及拉伸循环加载下的疲劳强度影响不明显；应力比为－１时应力释放件２００万次循环对应的疲劳强度较焊态件提高约５０％，而应力比为－４时提高近１．５倍，焊接残余应力对交变及压缩为主外载作用下的疲劳强度有较大影响，且对高压缩循环外载下的疲劳强度影响尤其显著。美国学者Ｆｉｓｈｅｒ［２２］于１９６７年开始进行的大量反映桥梁实际结构的全尺寸焊态接头试件的常幅及变幅疲劳试验也表明：大尺寸试件的疲劳强度要明显低于早期疲劳设计标准中使用的由小尺寸试件试验结果导出的疲劳抗力值，尤其是在长寿命区；以往疲劳设计标准中常假设常幅疲劳极限为２００万次应力循环对应的疲劳强度，而由大尺寸试件疲劳试验结果导出的Ｓ－Ｎ曲线却与之不符，其疲劳极限对应的应力循环数远高于２００万次；由于在大尺寸焊态接头试件的焊趾、焊根、热影响区等疲劳危险部位存在达到或接近母材屈服极限的高值残余拉应力（经实测证实）其是导致疲劳强，度下降的主要影响因素。Ｆｉｓｈｅｒ的试验结果数据构成了美国现行诸如ＡＡＳＨＴＯ、ＩＳＣ、ＷＳ等许多工业设计ＡＡ标准的基础。英国焊接研究所学者Ｍａｄｄｏｘ［２３，２４］使用屈服点在３３２￣７２７ＭＰａ间的４种强度钢制成的板表面纵向不承载角焊缝接头试件，对不同加载应力比 ∞，（－－１，０，０．５，０．６７）和不同拉伸强度钢下残余拉应力对角焊缝接头疲劳强度的影响进行了大量试验研究。结果表明：对于试验的试件，高强钢焊态件的残余拉应力水平并不比低强钢焊态件高；材料拉伸强度对焊态件及应力释放件的疲劳强度均无影响；在各应力比外载作用下，焊态件的疲劳强度试验结果均与外载应力范围相关，而不依赖于加载应力比；在正应力比外载下，焊态件与应力释放件的疲劳强度基本相同；应力释放工艺只在全压缩循环下可显著提高疲劳强度，部分压缩循环下提高较小，且提高程度直接与应力释放后仍驻留的残余拉应力水平相关。Ｍａｄｄｏｘ同时指出，对于实际焊接结构，即使经应力释放，但其残留的拉应力水平仍大幅高于在应力释放试件中测得的应力水平，因此建议认为应力释放工艺对承受以拉伸为主（应力比大于－１）循环载荷作用的焊缝接头疲劳强度无影响。日本国立材料科学研究所也于２０世纪８０年代起，对焊接残余拉应力、应力比、材料拉伸强度等因素对 — ２６ — 角焊缝及对接焊缝接头的疲劳强度影响进行了深入研究［２５～２８］。其中，Ｏｈｔａ［２６］等的试验研究同样证实了焊接残余应力对结构疲劳强度具有重要影响，认为由于在实际焊接结构中常存在有达到母材屈服极限的残余拉应力，其将大幅提高疲劳裂纹扩展速率，从而降低结构的疲劳强度。同时，通过大量对比试验研究进一步发现，其他诸如外载应力比、材料钢种和拉伸强度、焊接方法和工艺参数等因素对焊态接头的疲劳裂纹扩展速率基本无影响。２．２近似理论分析对于以上经大量试验所证实的残余应力对焊态接头疲劳强度不利影响的结论，至今普遍接受的解释认为：一方面，由于在焊缝接头应力集中点存在有高值残余拉应力，其将大幅提高外加应力循环的平均应力，从而增大外载循环的疲劳损伤程度并使得压缩循环与拉伸循环一样具有危害性，故将降低焊缝接头疲劳强度，并使得外载应力比对疲劳强度的影响很小；另一方面，高值残余拉应力与外加应力循环的叠加使得疲劳裂纹部位始终承受拉应力作用，从而导致裂纹尖端在所有加载循环过程中均处于展开状态，并在拉应力作用下不断扩展，故导致接头疲劳强度较低，且对平均应力不敏感。图２所示的简单示例对焊接残余应力和外加应力循环的叠加效应进行了近似分析，其中假设横向承载对接焊缝承受均布的名义常幅循环载荷，其疲劳危险截面上的初始焊接残余应力分布如图２所示（焊缝中部为疲劳危险点，存在达到母材屈服极限的残余拉应力）且假设材料具有理想弹塑性能，，并不考虑应力集［１０］中作用。图２焊接残余应力与外加名义应力循环的叠加效应在图２的各应力叠加图中，曲线①表征加载前原始残余应力分布；曲线②表征加载状态下假设材料为无限弹性时的叠加应力分布；曲线③表征加载状态下真第２期周张义，李芾：焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究实叠加应力分布（达到屈服极限的部位要发生塑性变形，应力不再上升）；曲线④表征卸载后应力分布。可见，应力叠加作用使得真实加载循环为应力在曲线③ 和④之间波动，其中当叠加压缩应力不会达到压缩屈服极限时，真实加载循环为应力在曲线①和②之间波动。在焊缝中部分布着残余拉应力的疲劳危险点，当外加名义应力循环分别为应力范围相等的常幅全拉伸、交变及全压缩循环时，应力叠加作用导致在该部位的实际名义疲劳加载基本都是从母材的屈服点向下摆动的具有相同应力范围、应力比及高值拉伸平均应力的循环应力。即残余拉应力将明显提高外加应力循环的平均应力或应力比，形成可引起更大疲劳损伤的实际加载应力循环，并导致理论上不会造成或造成较小疲劳损伤的全压缩或部分压缩应力循环变得与全拉伸应力循环一样具有危害性，从而大幅降低焊接接头的疲劳强度，并使得外加应力循环的平均应力或应力比成为影响疲劳强度的次要因素，应力范围更适合用于表征焊接接头的疲劳强度性能及作为其疲劳分析的应力控制参数。可见，以上理论分析是在较实际情形相当简化的条件下进行的，如分析中未考虑临界部位，如焊趾处应力集中作用、宏观焊接残余应力与裂纹尖端局部塑性区可能存在的微观残余应力的耦合作用等。然而，应用该简单模型得出的结论具有普遍性，可对残余拉应力的一般影响作出足够预测。２．３现行标准或规范中的考虑方式综上所述，试验研究与理论分析均表明，焊缝接头应力集中部位存在高值焊接残余拉应力时的疲劳承载性能，相应于其在无残余应力状态下承载具有高值拉伸平均应力循环载荷时的疲劳性能。这一简单结论形成了当前众多焊接结构疲劳设计标准或规范的理论和工程应用基础ＡＲ标准除外）具体考虑方式为：（Ａ， ①假设实际结构的焊缝接头应力集中部位常存在有可达到母材屈服极限的初始高值残余拉应力，且不考虑运用中外载作用可能导致的残余应力松弛效应，或者认为其对残余应力水平和分布的改变较小，对疲劳强度影响有限，可忽略不计。 ②焊态接头疲劳强度与应力比无关，即压缩应力与拉伸应力具有同等疲劳危害性，使用应力范围表征焊接接头的疲劳强度并作为疲劳分析的应力控制参数。 ③焊接残余应力的疲劳影响在强度设计数据中考虑，各典型焊接接头的疲劳性能由大尺寸焊态试件或小尺寸试件在较高应力比（通常大于等于０）循环加载下导出。对于应力释放工艺，多数规范认为其对实际结构焊缝接头的疲劳强度无影响［１２，１４，１５，１９，２０］，疲劳分析不区分焊态和应力释放件　ＢＳ　７６０８和Ｅｕｒｏｃｏｄｅ　３通过计算；部分压缩载荷循环的等效应力范围来考虑其对疲劳强度的改进影响［１７，１８］，认为载荷循环中只有６０％的压缩应力可导致疲劳损伤，如图３所示；ＩＩＷ则通过使用疲劳增强系数ｆ（Ｒ）提高相应疲劳抗力值，以考虑不同情［１６］况下应力比对疲劳强度的影响，如图４所示；ＡＡＲ标准不考虑焊接残余应力的影响，其使用常规的应力幅分析法，并结合改进的Ｇｏｏｄｍａｎ平均应力修正方式考虑应力比对结构疲劳强度的影响［１１］。研究认为，ＡＲＡ采用的方法已不适合应用于焊接结构的疲劳设计和分析，工程应用中不推荐采用。图３ＢＳ　７６０８及Ｅｕｒｏｃｏｄｅ　３建议的等效应力范围计算图４ＩＩＷ建议的疲劳增强系数ｆ（Ｒ）３焊接残余应力的工程实用考虑３．１不同观点和近期研究结果尽管以上的研究结论已在工程中得到广泛应用，但至今对焊接残余应力疲劳影响机理的研究仍有待于系统和深入，特别是其在实际复杂结构中的真实疲劳影响作用。当前，国际上对设计标准或规范中采用的焊接残余应力疲劳影响考虑方式的正确性及适用性，尚存在不同观点和争论，主要包括： ①接头疲劳危险部位常存在接近或达到母材屈服点的残余拉应力的假设，可能与实际结构的残余应力分布不符，从而导致错误的疲劳评定结果。复杂焊接结构的残余应力分布极为复杂，一些常被假设认为存在高残余拉应力的接头部位，实际上分布着有益于疲劳性能的残余压应力，或者分布的残余拉应力水平很低，故其疲劳危险程度并没有预期严重。Ｆｒｉｃｋｅ［２９］的试验研究证实了这一观点，提出为确保疲劳分析的可靠性，建议预先确定出由焊接引入的残余应力的真实分布状态，以视具体情况进行分析考虑，如可使用日益发展的有限元数值焊接模拟仿真。 ②类似于振动时效应力消除工艺，结构运用中外载作用可导致其焊接残余应力松弛，应力分布和水平发生改变，从而可能降低其对疲劳强度的不利影响。 — ２７ — 机　　车　　电　　传　　动２００９年针对该问题，与现行标准或规范中处理方式相同，Ｍａｄｄｏｘ［２４］较笼统地认为当确实存在高值残余拉应力，且为满足高周设计寿命绝大部分实际载荷循环的应力水平相对较低时，因疲劳加载引起的应力释放有限，驻留的残余拉应力仍可明显提高外加循环应力的平均应力，故残余拉应力在运用中得到一定释放并不会明显改善疲劳强度。与此相反，Ｋｒｅｂｓ［３０］等近期的大量试验对比研究结果表明，多数情况下外载作用导致的残余应力改变对结构疲劳强度的影响较为显著，通常比热应力释放工艺的影响还要大，应得到足够重视。其提出只考虑初始残余应力分布和水平，不足以分析其对疲劳强度的影响作用，尚需进一步明确各种因素尤表１情况焊缝其是外载作用可能导致的残余应力改变情况。由于残余应力变化是在呈多轴应力状态的整个结构范围内发生，故受各种因素联合影响，如加载状态（常幅或变幅，平均应力大小）板厚及接头在结构中的几何位置、（多轴约束效应）接头缺口严重程度及焊接区冶金状、态等。通过综合分析，Ｋｒｅｂｓ提出了一个类似ＩＩＷ但更易操作的应力比修正方案，如表１所示，认为残余应力和加载应力的多轴率是影响残余应力改变的主要因素。此外，由于接头缺口严重程度对残余应力改变也有较大影响，中的建议仅适用于接头疲劳缺口系数表１小于２．５的情况。Ｋｒｅｂｓ建议的典型焊接部件残余应力降低时的应力比修正方案Ａ１Ａ２长度小于３００ｍｍ的横向焊缝薄板连接Ｂ１纵向焊缝宽梁上的连接板Ｂ２纵向焊缝、横向焊缝高多轴率承载结构纵向焊缝、长度小于３００ｍｍ的横向焊缝棒、窄梁、箱形主梁结构形式残余应力及外载应力状态残余应力降低疲劳增强系数ｆ（Ｒ＝－１）主要为单轴状态作用方向平行显著１．２５主要为单轴状态作用方向垂直显著或较大１．２５（板厚＜１０ｍｍ）低多轴率状态较大１．２５（板厚＜１６ｍｍ）高多轴率状态有待考虑１．０注：表中σ 为加载应力，σ １和σ ２分别为第一和第二主应力 ③复杂及不同条件下的残余应力疲劳影响研究仍有待于系统和深入，如不同加载状态（包括常幅或变幅加载、轴向或弯曲加载、高周或低周加载等）及应力集中程度（包括各类焊缝接头形式、焊后改善工艺等）下，焊接残余应力的疲劳影响程度可能存在较大差异。Ｓｏｎｓｉｎｏ［３１］于近年来针对该问题进行了大量试验研究，作出了有益探讨。其研究的主要结论为：对试验的几种应力集中程度差异较大的焊缝接头试件，在随机或变幅载荷下，残余拉应力的不利影响程度均比常幅加载状态下小，同时变幅载荷下应力释放工艺的疲劳强度改进较常幅载荷下差；焊缝接头试件的弯曲疲劳强度较拉压疲劳强度高，故应依据实际加载模式（膜应力为主或弯曲应力为主）选择正确的许用应力或进行必要修正，其对设计轻量化结构尤为重要；不同应力集中情况下应力释放工艺的疲劳强度改进也不同，应力集中程度越严重，疲劳强度改进效果越差，即焊接残余应力的影响越有限，如应力释放对搭接接头（应力集中十分严重）的疲劳强度无改进、对纵向加强筋端部焊趾（应力集中为中等严重）在高周寿命区 — ２８ — （Ｎ＞１０６）的疲劳强度改进显著，在中低周区改进较小，对Ｖ形角接头（应力集中相对低）在全寿命区疲劳强度均有较大改进；交变常幅加载下应力释放对疲劳强度的改进高于脉动常幅加载，且在高周寿命区改进效果优于中低寿命区。３．２焊接残余应力的定性疲劳影响综上分析和讨论，在实际焊接承载部件中，残余拉应力对结构疲劳强度的不利影响可归结为以下一些定性结论：①压缩为主加载下的影响程度大于拉伸为主加载；②常幅加载下的影响程度大于变幅加载；③ 轴向加载下的影响程度大于弯曲加载；④高周加载下的影响程度大于低周加载；⑤接头应力集中低时的影响程度大于应力集中高时；⑥残余及外加应力多轴率高时的影响程度大于多轴率低时；⑦对复杂、厚壁结构的影响程度大于简单、薄壁结构。此外，应力释放工艺对复杂焊接部件的残余应力消除能力有限，应慎重对待，而应更重视外载可能导致的残余应力降低对疲劳强度的有利作用。第２期周张义，李芾：焊接残余应力对钢结构疲劳性能影响研究３．３工程实用考虑对于实际复杂焊接承载结构，如机车车辆焊接构架、车体钢结构等，已经认识到直接采用设计标准或规范中的焊接残余应力考虑方式偏于安全，特别是当结构需要较高轻量化程度时，则可能过于保守，不利于结构减重。因此，建议根据实际结构及焊缝接头的具体连接形式、承载特点、残余应力真实分布状态等因素，有针对性地考虑残余应力对疲劳强度的影响作用，主要总结为以下几类情况。 ①在复杂连接区域，应力集中程度较严重，或者板厚较大，或者承受拉伸为主（应力比大于－１）循环载荷的焊缝接头，如各种安装座与主体结构的焊缝接头，主体结构中各梁间的复杂连接焊缝接头，各种组焊梁主要承受弯曲拉应力循环的盖板及腹板部位上的各类横向或纵向焊缝接头等，疲劳分析时不考虑任何平均应力或应力比疲劳强度修正。这些焊缝接头疲劳强度的提高及附近结构的减重，应主要考虑通过尽量降低接头附近整体结构及接头局部几何应力集中来实现。 ②在简单连接区域，应力集中较为缓和，或者板较薄，或者承受压缩为主（应力比小于－１）循环载荷的焊缝接头，如各种平板对接接头、主体结构中各薄壁梁间的简单连接焊缝接头，各种组焊梁主要承受弯曲压应力循环的盖板及腹板部位上的各类横向或纵向焊缝接头等。由于这些焊缝接头属次一级的疲劳危险部位，其附近区域具备实施结构减重的较大潜能，且实际中这些部位的残余拉应力水平较低或者经后处理应力释放的效果比较好，故在疲劳分析中应适当放松其对长寿命区疲劳强度的不利影响作用，采用适当方法修正而使用不同加载应力比下的焊缝接头许用疲劳强度。 ③对于结构任何部位的焊缝接头，若能使用适当方法（如计算机仿真、实物测试等）预先准确确定出其初始残余应力分布，并通过结构应力分析明确其多轴承载状态，则疲劳分析应据实考虑残余应力的疲劳影响。如当接头危险部位实际分布为残余压应力时，则应考虑其有利疲劳强度的影响作用；当残余拉应力可在外载作用下得到显著降低时，亦应进行必要疲劳强度修正予以合理考虑。 ④视具体情况，残余应力影响的平均应力或应力比疲劳强度修正宜采用Ｋｒｅｂｓ及ＩＩＷ推荐的方法。疲劳分析中，必须重视残余应力的疲劳影响作用。提出不宜统一采用标准或规范中的考虑方式，而应依据实际几何结构及焊缝接头形式、承载特点、残余应力真实分布等因素，视具体情况有针对性地予以合理考虑。最后总结的几类情况下的焊接残余应力考虑方式对工程应用具有实际指导意义，尤其是对焊接承载结构的轻量化设计。参考文献：［１］周皓华，丁建宏．ＹＪ１型动车构架裂纹分析与处理方案］．Ｎ［Ｊ内燃机车，２００５（４）：３４－３６．［２］梁圣童．ＰＵ－３０型机车底架裂纹和改进的分析研究］内Ｄ［Ｊ．燃机车，２００６（９）：６－８．［３］王勤家．８０Ｂ型运煤敞车枕梁裂纹的原因分析及改进措施Ｃ［Ｊ］铁道车辆，．２００８，（５）４６：３７－３８．［４］孙晓云．基于疲劳强度的焊接结构设计细节［Ｊ］机车车辆．工艺，２００７（２）：１－４．［５］丁彦闯，兆［６］周张义，李奇，兆文忠．铁道车辆虚拟疲劳试验技术研芾，卜继玲．基于名义应力法的焊接结构疲究［Ｊ］铁道车辆，．２００８，（４）４６：１－４．劳强度评定方法研究］内燃机车，００７（７）－４．［Ｊ．２：１［７］Ｍａｄｄｏｘ　Ｓ　Ｊ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．［Ｍ］Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ａｂｉｎｇｔｏｎ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，１９９１．［８］Ｒａｄａｊ　Ｄ，Ｓｏｎｓｉｏｎ　Ｃ　Ｍ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔｓ　ｂｙｌｏｃａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓＭ］ＣａｍｂｒｉｄｇｅＡｂｉｎｇｔｏｎ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，［．：１９９８．［９］霍立兴．焊接结构的断裂行为及评定［Ｍ］北京：机械工．程出版社，０００．２［１０］Ｇｕｒｎｅｙ　Ｔ　Ｒ．Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔｓＭ］［．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ：Ａｂｉｎｇｔｏｎ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００６．［１１］ＡＡＲ．Ｍａｎｕａｌ　ｏｆ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ＳｅｃｔｉｏｎＣ　Ｐａｒｔ　Ⅱ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃ－：ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｅｉｇｈｔ　ｃａｒｓＫ］［．ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＴｈｅ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａｎ：Ｒａｉｌｒｏａｄｓ，　１９９７．［１２］ＧＢ５００１７－２００３，钢结构设计规范］北京：中国计划［Ｓ．出版社，２００３．［１３］ＴＢ１０００２．２－２００５，铁路桥梁钢结构设计规范］北京：［Ｓ．中国铁道出版社，００５．２［１４］中国船级社．中国船级社指导性文件－船体结构疲劳强度指南［Ｋ］北京：人民交通出版社，００７．．２［１５］ＳＹ／Ｔ　１００４９－２００４，海上钢结构疲劳强度分析推荐作法［Ｓ］．［１６］Ｈｏｂｂａｃｈｅｒ　Ａ　Ｆ．Ｆａｔｉｇｕｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｋ］ＣａｍｂｒｉｄｇｅＡｂｉｎｇｔｏｎ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，．：１９９６．［１７］ＢＳ　７６０８１９９３，ＢＳＩ．：Ｃｏｄｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓＳ］ＬｏｎｄｏｎＢｒｉｔｉｓｈ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ［．：Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，１９９５．［１８］ＢＳ　ＥＮ　１９９３－１－９－２００５，　Ｅｕｒｏｃｏｄｅ　３Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓＢＳＩ．：Ｐａｒｔ　１．９ＦａｔｉｇｕｅＳ］：［．ＬｏｎｄｏｎＢｒｉｔｉｓｈ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，，：２００６．［１９］ＡＷＳ．ＡＷＳ　Ｄ１．１／Ｄ１．１Ｍ－２００６，Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｏｄｅｓ　－　ｓｔｅｅｌ［Ｓ］ＭｉａｍｉＡｍｅｒｉｃａｎ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，．：２００６．［２０］ＤＮＶ．ＤＮＶ－ＰＲ－Ｃ２０３，Ｆａｔｉｇｕｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｏｆｆｓｈｏｒｅ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｓ］ＮｏｒｗａｙＤｅｔ　Ｎｏｒｓｋｅ　Ｖｅｒｉｔａｓ，．：２００８．［２１］Ｇｕｒｎｅｙ　Ｔ　Ｒ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐｌａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｆｉｌｌｅｔ　ｗｅｌｄｅｄ　ａｔｔａｃｍｅｎｔｓＪ］［．Ｂｒｉｔｉｓｈ　ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９６０，７：４１５－４３１．（６）［２２］Ｆｉｓｈｅｒ　Ｊ　Ｗ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｄｙｎａｍｉｃｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ／／　Ｍａｄｄｏｘ　Ｓ　Ｊ，［Ｃ］Ｐｒａｇｅｒ　Ｍ，　ｅｄ　ａｌ．　ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　Ｌｏａｄｅｄ　Ｗｅｌｄｅｄ４结论以铁路机车车辆各动态承载焊接钢结构的疲劳设计、强度分析及寿命预测研究为背景，在主要分析和参考国内外特别是国外的相关研究成果，并对现行各种工业设计标准或规范的对比分析基础上，就焊接残余应力的结构疲劳影响及其考虑方式等相关内容进行了详细和深入探讨。明确在机车车辆焊接承载部件的（下转第３３页） — ２９ — 第２期周少云，李玮斌：ＤＦ１２型调车机车微机及电气系统改进冷备份冗余控制，取代机车上现有的无级调速器，节省了空间，且能在显示器上直观地显示柴油机各参数并设置步进电机调整步数及时间。 ③微机控制系统包含辅助电源控制功能，并采用双机冷备份冗余控制，可以完全替换机车上现有的电压调整器，可以节省空间，在显示器上直观地显示出来；若用户需要智能充电，对蓄电池进行保护，增加相应的传感器可以达到智能充电的目的。 ④采用显示器取代司机室部分的仪器仪表，能更全面精确地显示机车状态参数。 ⑤增加了故障诊断显示，使机车故障能够直接在显示屏上反映出来，便于检修及乘务人员及时处理故障。 ⑥微机系统运行速度及实时性强、便于扩展功能，可方便实现轮缘喷脂、柴油机诊断保护等新功能。 ⑦　实现柴油机恒功率特性控制，充分发挥了柴油机输出功率，更加省油节能。４结束语目前，该系统已在广深铁路股份有限公司装车６台，系统运行稳定可靠，效果良好。采用ＬＣＳ３２微机控制系统后，机车的可靠性、稳定性、可操作性得到很大提升，同时优化了机车控制性能，提高了机车粘着利用率，增强了机车牵引能力，降低了油耗，减少了废气排放，有利于节能环保，具有很高推广价值。参考文献：［１］戚墅堰机车车辆厂．东风８Ｂ型内燃机车］北京：中国铁［Ｍ．道出版社，１９９９．［２］白伟强．１８０ｋｍ／ｈ内燃动车组微机控制系统］机车电传［Ｊ．动，（３）２０００．［３］何良．加装ＬＣＵ的ＤＦ８Ｂ型机车微机控制系统软件设计］［Ｊ．机车电传动，２００５（４）．（上接第２９页）Ｓｔ

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