高速列车车体服役状态残余应力超声波法无损测量及验证

焊接残余应力影响焊接结构可靠性.传统残余应力测量方法无法满足焊接结构服役状态下的应力测量,无法实现薄壁结构的应力测量.使用改进的超声波法焊接残余应力测量系统,对壁厚3.5 mm的薄壁高速列车车体残余应力实现了无损测量,测量过程实时无损快速.测量结果与有限元模拟和激光全息小孔法测量结果对比,超声波法测量结果可靠,且对试验结果进行了讨论分析.建立的超声波法应力无损测量系统为焊接结构服役状态在线可靠性评估奠定了基础.     

铝合金薄板焊接接头残余应力分析

铝合金型材已经被广泛用作高速列车车体材料,其结构件焊接接头的服役安全可靠性至关重要。残余应力对接头的疲劳寿命影响很大,能够准确、无损、快速对焊接结构的残余应力进行测试。分别采用小孔法及X射线衍射法进行残余应力测试,通过对比分析两种方法测量的焊接接头残余应力的分布及数值,发现小孔法测量数值稍大于X射线衍射法;射线法测得数值波动范围较小孔法大,其主要原因是测量试件表层应力。但两种方法测量结果的总体趋势一致,故采用无损的X射线衍射法测量3 mm5083-H111薄板的MIG焊接头是可行的。     

激光全息小孔法验证超声波法残余应力无损测量

基于声弹性效应,超声波可以无损检测出结构内部应力.利用建立的基于临界折射纵波的超声波法焊接残余应力测量系统,对低碳钢双丝焊纵向焊接残余应力进行了实时快速无损测量.使用激光全息小孔法对超声波法测量系统的测量结果进行了验证.对两种方法的测量过程和测量结果进行了对比.结果表明,超声波法测量结果可靠,声波法克服了传统应力测量方法费时、耗力、破坏、体积庞大等缺点,整个设备轻便,可单人手提.系统支持程序使测量操作简便,过程实时快速.     

焊接残余应力场声弹性不稳定性分析

基于声弹性效应,超声波可以无损检测出结构内部应力.超声波法焊接残余应力测量克服了传统应力测量方法费时耗力、破坏、体积庞大等缺点,对多种焊接结构残余应力进行的测量已证明其准确和可靠.在残余应力场测量时发现了在低应力弹性区存在声弹性不稳定现象,利用声弹性模拟试验对声弹性不稳定现象进行了分析研究.根据焊接残余应力场弹性区临界折射纵波包络波峰声弹性效应随机分布呈双峰分布的试验现象,提出了弹性区声弹性主应力计算公式,可通过超声波法纵向残余应力测量结果计算出测量点的两个主应力及横向残余应力.     

我国高速列车焊接技术及其新发展

阐述了我国高速列车焊接技术及其新发展,包栝:机车车辆转向架结构及焊接、车体结构的焊接、高速动力车不锈钢耐候钢混合车体的焊接、铝合金高速列车车体焊接.回顾了现状,探讨了发展.     

基于全包络权重算法的超声波法残余应力无损测量系统

基于声弹性效应超声波可以无损检测出结构内部应力,克服了传统应力测量方法费时耗力破坏体积庞大等缺点.针对超声波法测量精度的若干影响因素,为了更准确的表达焊接残余应力场,提出了全包络权重算法,并使用虚拟仪器软件实现.结果表明,该方法使测量的误差大大减小,实现了焊接残余应力超声波法的高精度测量.使用不确定度对开发的高精度超声波法测量系统的测量精度进行了表征.     

薄壁LY12铝合金焊接残余应力超声波法无损测量及验证

传统残余应力破坏测量方法无法满足焊接结构服役状态下的应力测量,无法实现结构的无损应力测量.基于声弹性原理,超声波法可以无损测量出结构内部的残余应力.使用临界折射纵波进行薄壁结构件测量时,易激发Lamb波和Stonely波等特殊波形,将影响测量的准确度.开发了适用于薄壁结构件测量的新型超声波法焊接残余应力测量系统,对厚度为2mm的两种LY12薄壁焊接结构进行了测量,测量过程实时无损快速.用切割释放法和有限元模拟进行了验证.结果表明,该测量系统准确可靠,为航天器薄壁焊接结构服役状态在线可靠性评估奠定了基础.     

高速列车底架结构承载应力场数值分析

高速列车底架采用铝合金挤压型材和板材焊接而成,焊接残余应力的分布状态及水平直接影响高速列车的承载能力及安全使用寿命问题。针对承受典型载荷形式的高速动车底架,采用非线性有限元软件Marc对底架结构的焊接残余应力场及工作载荷作用后的残余应力进行数值模拟,确定了残余应力危险点位置,发现承受拉伸载荷后底架应力存在一定松弛。     

高速列车框架焊接的双椭圆柱高斯分布热源模型

根据高速列车车体结构焊接工艺特点,分析并改进常用高斯热源,提出适用于铝合金惰性气体保护焊接（MIG）的双椭圆柱-高斯分布热源模型.该热源模型基于焊接速度移动,形成的熔池表面为双椭圆形状,热流密度沿厚度方向均匀分布,在径向呈高斯-双椭圆分布.基于热源模型的数学表达,以有限元方法实现了热机耦合的焊接过程仿真,与薄板试验结果比较,温度场分布与降低趋势较好地吻合;拉应力峰值出现在熔合线和热影响区,仿真值、试验值分别为88.8,85 MPa.结果表明,该热源模型有效地模拟焊接温度场时域上的变化过程,准确地预测结构变形、残余应力分布规律,应用于高速列车头车框架结构焊接工艺优化及残余应力评估,为高速列车焊接质量控制及焊接工艺参数选择提供理论指导.     

控制焊接残余应力方法的超声波监控

为了减少焊接件的残余应力测量时间,基于声弹性效应,采用对应力最为敏感的临界折射纵波,建立了焊接残余应力超声波测量系统,可以准确的检测出焊接结构的内部应力.用该测量系统对随焊旋转挤压法、随焊冲击碾压法、电磁冲击法、预置应力法等一系列降低焊接残余应力的控制方法进行了监控,试验结果给出了各控制方法的残余应力降低程度,确认了工艺参数的合理性.该试验过程无损快速克服了传统切割释放测量方法的耗时费力,加快了控制方法的研制进程.     

不锈钢冷金属过渡焊角接接头应力及变形规律研究

在高速列车轻量化课题中,不锈钢薄板作为车体结构的关键部分越来越受重视。针对异种厚度的SUS301L不锈钢薄板,采用冷金属过渡技术进行角接试验,通过热电偶采集焊接时距焊缝不同位置的温度变化。用3D激光扫描仪测量焊接变形,由于采用焊缝悬空的约束方法,底板焊后发生了较大的呈波浪状的变形,最大变形量达到6.545 mm。用μ-X360分析仪检测接头残余应力,应力呈"M"型分布。     

Determination of the profile of the complete residual stress tensor in a VPPA weld using the multi-axial contour method

The multi-axial contour method is a recent development of the contour method of stress measurement. It permits measurement of the 3D residual stress distribution in a body, based on the assumption that the residual stresses are due to an inelastic misfit strain (eigenstrain) that does not change when a sample containing residual stresses is sectioned. The eigenstrain is derived from measured displacements due to residual stress relaxation when the specimen is sectioned. By carrying out multiple cuts, the full residual stress tensor in a continuously processed body can be determined, where the specimen has an initial length-to-width aspect ratio of 2:1. In the present study, first a finite element simulation of the technique was carried out to verify the method numerically. The method was then used to determine the residual stresses in a VPPA-welded sample, and the results were validated by neutron diffraction measurements.     

高速列车齿轮箱箱体结构设计与静、动态分析

为提高高速列车齿轮箱箱体结构强度,避免因强度不足导致失效问题,应用有限元分析方法对某型号高速列车齿轮箱箱体进行静、动态分析,得到高速列车齿轮箱箱体失效的主要原因是高速列车齿轮箱箱体的结构设计不合理.基于变密度法,建立以高速列车齿轮箱箱体的结构柔顺度最小为优化目标,约束齿轮箱箱体应力和体积的拓扑优化模型;对优化后的箱体进...     

Residual Stress Measurement and Calibration for A7N01 Aluminum Alloy Welded Joints by Using Longitudinal Critically Refracted (<Emphasis Type="Italic">LCR</Emphasis>) Wave Transmission Method

Residual stress measurement and control are highly important for the safety of structures of high-speed trains, which is critical for the structure design. The longitudinal critically refracted wave technology is the most widely used method in measuring residual stress with ultrasonic method, but its accuracy is strongly related to the test parameters, namely the flight time at the free-stress condition (t ₀), stress coefficient (K), and initial stress (σ₀) of the measured materials. The difference of microstructure in the weld zone, heat affected zone, and base metal (BM) results in the divergence of experimental parameters. However, the majority of researchers use the BM parameters to determine the residual stress in other zones and ignore the initial stress (σ₀) in calibration samples. Therefore, the measured residual stress in different zones is often high in errors and may result in the miscalculation of the safe design of important structures. A serious problem in the ultrasonic estimation of residual stresses requires separation between the microstructure and the acoustoelastic effects. In this paper, the effects of initial stress and microstructure on stress coefficient K and flight time t ₀ at free-stress conditions have been studied. The residual stress with or without different corrections was investigated. The results indicated that the residual stresses obtained with correction are more accurate for structure design.     

A6N01S-T5铝合金焊接软化行为及数值模拟

基于A6N01S-T5铝合金焊接接头显微硬度试验和微观组织分析,研究A6N01S-T5铝合金焊接接头软化特征,根据焊接接头不同区域的焊接温度及显微硬度,建立了A6N01S-T5铝合金软化模型.针对高速列车车顶焊接过程数值模拟,开发了基于平均温度曲线法的焊接快速数值模拟方法,并通过典型焊接接头试验验证.结果表明,平均温度曲线法可以替代移动热源进行焊接过程模拟.基于A6N01S-T5铝合金软化模型及平均温度曲线法,模拟高速列车车顶焊接过程,计算的车顶焊接变形与实测值比较吻合.     

6N01S-T5铝合金高速激光-MIG复合焊接工艺

针对高速列车侧墙6N01S-T5铝合金熔化焊时存在焊接变形大,接头软化严重等问题,提高激光-MIG复合焊的焊接速度降低热输入,并通过显微硬度、拉伸试验测试,结合金相及扫描电镜下的EDS分析,对比了高、低焊接速度两种工艺下接头力学性能及微观组织的差异;采用三坐标测量仪和X射线残余应力测试仪对试样焊接变形和残余应力进行测试分析.结果表明,当焊接速度达到4.8 m/min时焊缝仍能保证较好的成形;相比于0.6 m/min低速焊接,焊接效率大幅度提高,焊缝金属填充量减少68%,接头软化区宽度减小约60%;试件焊后变形及高应力分布区域变窄;焊缝组织细密,接头平均抗拉强度为207 MPa,达到母材强度的71%.     

铁路车轴表面强化技术研究与应用

车轴是列车转向架的核心部件之一,引发车轴失效的表面损伤形式主要包括腐蚀、微动磨损和外物致损。表面强化可改善车轴表面完整性,进而抑制裂纹萌生和延缓裂纹扩展,以提高车轴疲劳强度并延长剩余寿命。车轴表面强化技术主要包括滚压、喷丸及表面感应淬火。首先,概述了国内外普速和高速列车车轴表面强化技术的基本原理:滚压和喷丸等物理强化方式使车轴表面塑性变形硬化并引入残余压应力,表面感应淬火通过马氏体相变提高车轴表面强度并引入残余压应力。然后,重点综述了上述3种表面强化技术的研究进展及其在当前车轴制造过程中的应用,其中,深度滚压是车轴表面强化的主要方式,表面感应淬火主要应用于部分高铁车轴上,而喷丸在车轴上的应用尚少。最后,从经济性和安全性的角度对比了车轴表面强化技术的优劣:喷丸强化深度有限,不足以提高车轴剩余寿命;中碳钢车轴表面淬火方案在淬硬层深度和残余应力大小方面均优于合金钢车轴滚压方案。基于损伤容限设计的评价为未来车轴表面强化技术的研究和应用提供了借鉴。