焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用

第２９卷第６期焊接学报ｖ０１．２９Ｎｏ．６２００８年６月ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣｍＮＡⅥ砸ＬＤＩＮＧＩＮＳ呷『ｒ兀ＯＮＪｕｎｅ２００８焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用

丁彦闯，兆文忠

（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连１１６０２８）

摘要：焊接结构的破坏往往表现为焊接接头的疲劳破坏，提出考虑焊接接头疲劳损

伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。根据国际焊接学会（Ⅱｗ）的焊接接头与部件

疲劳设计评估标准，基于Ｍｉｎｅｒ累积损伤理论，提出虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的

累积损伤，以焊接接头的累积损伤为约束进行抗疲劳设计，采用基于试验设计的近似模

型优化策略提高计算效率。采用此方法对某焊接构架进行了抗疲劳轻量化设计，选取

１０个设计变量，进行１２０次试验设计创建“ｇｉｎｇ近似模型，在近似模型上应用序列二

次规划算法进行优化设计，在结构尺寸、应力及给定焊接接头累积损伤约束下，构架重

量减轻１１．６％。此方法为设计过程中保证焊接结构的疲劳可靠性提供了一种新途径。

关键词：焊接结构；疲劳损伤；优化设计；虚拟疲劳试验；近似模型

中图分类号：’Ｉ℃４０５文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００８）嘶一００２９～０４丁彦闯

Ｏ序言

焊接是一种重要的连接方式，轻量化结构多采用焊接形式。焊接结构在交变载荷作用下的破坏往往表现为焊缝的疲劳破坏，焊缝的疲劳破坏是损伤累积的过程…，因此焊接结构的抗疲劳设计必须充分考虑焊接接头的细节品质。对于焊缝局部区域可采用焊后打磨等工艺措施消除应力集中，提高疲劳寿命１２１；对于复杂的焊接结构还需进行结构优化设计，降低焊缝区域的整体应力水平，保证疲劳寿命。复杂结构的优化设计一般需采用有限元法进行，在考虑焊接接头细节的情况下，计算模型更加复杂，计算量大，耗时较长，以有限元疲劳分析结果为基础的优化设计将很难开展。为了提高优化分析的效率，可采用近似模型替代复杂、耗时的有限元分析，并在近似模型上进行优化设计旧ｊ。

作者提出考虑焊接接头疲劳损伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。在结构优化模型中增加焊接接头的累积损伤约束，创建焊接结构抗疲劳优化模型；根据国际焊接学会（１１ｗ）的焊接接头与部件疲劳设计评估标准，基于Ｍｉｎｅｒ累积损伤理论，提出焊接结构虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的疲劳累积损伤；对优化模型进行基于试验设计的近似建模提高优化效率。并结合焊接构架的工程实例应用验证了此方法的可行性。

１焊接结构抗疲劳优化模型

在结构优化设计的约束条件中加入焊接接头的累积损伤约束来保证疲劳寿命，则复杂焊接结构的抗疲劳优化设计模型可表示为

求Ｘ＝｛石ｌ，ｚ２，…，ｚ。｝Ｔ

使形（Ｘ）一ｍｉｎ

满足毋（ｘ）≤０，／＝１，２，…，ｇ

ｋ（Ｘ）＝０，后＝１，２，…，Ｚ

啡（ｘ）≤ｑ，ｐ＝１，２，…，＾

戈ｉｍｉｎ≤石ｉ≤ｚｉ眦

式中：结构参数．）｜ｆ＝｛戈１，戈２，…，ｚ。｝Ｔ为设计变量；结构性能形（ｘ）（如结构重量等）为优化目标；ｇ，（ｘ）为不等式约束函数；饥（ｘ）为等式约束函数；口为不等式约束个数；Ｚ为等式约束个数；危为累积损伤约束的焊接接头个数；戈ｉＩＴＩｉ。和戈ｉ一为设计变量下界及上界，常规约束条件可以是强度约束、刚度约束、动态特性约束以及几何约束等；仇（ｘ）为焊接接头的累积损伤；ｃ。为常数取Ｏ．５—１，可根据焊接接头的重要程度进行选取。

２焊接结构虚拟疲劳试验

收稿日期：２００８一Ｏｌ一０８

基金项占：国家８６３高技术研究发展计划项目（２００６ＡＡ０４２１６０）

焊接接头的累积损伤由结构承受的交变载荷造

第６期丁彦闯，等：焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用３１

优化算法

翌塑ｌ

主

设计变量空间ｌ

广；磊葱鬲＿仁爿结嘉萋篙凳罢析＝二工二Ｌ＝∑二＝∑试验设计结果ｌ

丕

有限元分析结束

图３基于近似模型的优化设计流程

哟．３Ｏｐｔｉｍｉ刎ｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｐｐｒｏｘｊｍａｌｉｏｎｍｏｄｅＩ

梁两端有轴箱弹簧座，中央有空气弹簧座。两横梁上焊有纵向梁、制动吊座和牵引座。横梁外侧装有抗蛇行减振器座。焊接构架及关键焊缝结构如图４所示。

图４焊接构架结构

Ｆｉｇ．４ＷｅＩｄｅｃＩｂｏｇｉｅｆ陋ｍｅａｎｄｗｅＩｄｅｄｊｏｉｎＩｓ

４．２焊接构架抗疲劳优化模型

该构架主要由钢板组焊而成，因此设计变量取板厚作为基本参数，根据设计及工艺要求，确定１０个设计变量，如表ｌ所示。构架有限元模型采用板壳单元建模，共有６４８７７个节点，６６５１４个单元。

根据国际铁路联盟标准ＵＩＣ５１５—４—１９９３【７Ｊ创建焊接构架结构轻量化优化模型。取板厚为设计变量，质量最小为目标，考虑超常载荷的最大Ｍｉｓｅｓ

表１设计变量及优化结果

Ｔａｂｌｅ１ＤｅｓｉｇｎＶａｒｉａｂＩ鹊ａｎｄ州ｉｍｉ捌ｉｏｎｎｅｓｕＩｔｓ

侧梁Ｅ盖板

侧梁腹板

侧梁Ｆ盖板

侧梁内部筋板

轴箱圆筒状立板

纵梁上盖板

纵梁下盖板

纵梁腹板

空簧座板

转臂定位座侧板

９．０

９．Ｏ

１３．１

７．５

７．５

９．０

９．Ｏ

９．０

１４．３

Ｊ３．５

应力约束和三个关键部位焊接接头（图４）疲劳累积损伤约束。该问题的优化模型为

使ｍ（￡ｉ）一ｍｉｎ

满足ｓ１≤２０８１

Ｄ１≤ｃｌ，Ｄ２≤ｃ２，Ｄ３≤ｃ３｝（４）

￡ｉ『：ｌｉ。≤￡ｊ≤ｆｉ。。Ｊ

式中：ｍ（ｆ！）为构架质量；￡ｉ为设计变量（板厚）；ｆｉ一，ｏ涮。为设计变量的上下限；５ｌ为超常载荷的最大Ｍｉｓｅｓ合成应力；Ｄ１为管接头疲劳累积损伤；Ｄ２为侧梁Ｔ形接头疲劳累积损伤；Ｄ３为定位座与侧梁相连的Ｔ形接头疲劳累积损伤；Ｃｌ，Ｃ２，Ｃ３为常系数取０．８。

国际铁路联盟ＵＩＣ５１５—４—１９９３标准中转向架疲劳载荷分三段加载，即１倍、１．２倍和１．４倍的载荷循环６×１０６，２×１驴和２×１０６次。根据焊接接头的具体形式得到Ｉ研标准中对应的Ｓ一Ⅳ曲线数据，基于累积损伤理论采用式（３）计算焊接接头的疲劳试验累积损伤值，即

‰：巍半华】：堕警业＋

ｉ＝ｌ

ｕＶ

２丕！鲎ｉ！１２垒旦２１．２茎！堂（！：垒垒星）：ｒ钔

Ｃ

’

Ｃ

…７式中：ｎｉ为疲劳载荷循环次数；△尺为１倍疲劳载荷作用下焊接接头的名义最大主应力范围；ｍ为Ｓ一Ⅳ曲线斜率；ｃ为５一Ⅳ曲线常系数。

４．３焊接构架抗疲劳优化设计结果

对焊接构架的疲劳损伤约束优化模型，采用拉丁超立方法对１０个设计变量进行１２０次试验设计，对各响应变量分别创建炳ｇｉｎｇ近似模型，在近似模型上应用序列二次规划算法进行优化设计，设计变量的优化结果见表ｌ，优化前后结果对比见表２，表

ｍ

惦

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∞

加

２

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２

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８

８

菱零