倪寶成， 郭 豪， 方 敏， 李 劍， 齊芳娟

(1．南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)部，江蘇 南京 210031;2．石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

列車轉(zhuǎn)向架是鐵道車輛的重要構(gòu)件，在車輛運(yùn)行過(guò)程中承受安裝部件的工作載荷以及牽引、制動(dòng)和慣性力。目前，客車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁基本上采用H 型焊接構(gòu)架模式，焊接已成為其制造過(guò)程中的主要加工方法。因此優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量對(duì)保證轉(zhuǎn)向架質(zhì)量乃至列車安全運(yùn)行都有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義［1-5］。

但是，由于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊縫較多，使得潛在的工藝順序有很多種，如果采用對(duì)實(shí)體構(gòu)件的殘余變形和應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量的方法來(lái)比較各種工藝的好壞，不僅耗時(shí)多，而且費(fèi)用高昂。因此，選擇B 型列車14 t 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁為研究對(duì)象，基于ANSYS 平臺(tái)，利用APDL 語(yǔ)言對(duì)列車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接變形與應(yīng)力進(jìn)行模擬，以期找出一種優(yōu)化焊接工藝的簡(jiǎn)便可行的方法。

1 有限元計(jì)算

側(cè)梁為箱形梁結(jié)構(gòu)，由上、下蓋板和前、后立板組成，內(nèi)部共有3 塊筋板。上下蓋板與前后立板靠縱向長(zhǎng)角焊縫連接。以四條縱向焊縫為計(jì)算目標(biāo)，每條焊縫分為三層，分析焊接后側(cè)梁的變形及應(yīng)力分布情況。

1．1 模型簡(jiǎn)化

為了得到更好的網(wǎng)格，保證溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性和應(yīng)力場(chǎng)的收斂性，對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化模型及焊縫分布分別如圖1 和圖2 所示。焊接順序?yàn)椋跘—D—J—G］—［B—E—H—K］—［C—F—I—M］。

1．2 網(wǎng)格劃分

由于模擬結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，網(wǎng)格劃分不能過(guò)細(xì)，所以劃分單元時(shí)采取不均勻的劃分方式。在焊縫附近溫度梯度比較大，采用細(xì)密的網(wǎng)格，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度分布梯度相對(duì)較小，采用相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。沿焊縫方向網(wǎng)格尺寸大約為10 mm，最終模型包含43 960 個(gè)單元，61 110 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中焊縫有3 768個(gè)單元。

圖1 簡(jiǎn)化模型

圖2 焊縫分布

1．3 熱分析

采用熱-力間接耦合法模擬焊接過(guò)程，即先進(jìn)行熱分析，然后將熱分析的結(jié)果作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)行應(yīng)力和變形的計(jì)算。

選用solid70 進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)的模擬。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)焊縫金屬和母材的熱物性參數(shù)相同。假設(shè)所用材料是各向同性且均勻的，其熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。構(gòu)件初始溫度為15 ℃，熱對(duì)流系數(shù)為HC =120 W/( m2·℃) 。

表1 轉(zhuǎn)向架材料的熱物性參數(shù)

通過(guò)內(nèi)部熱生成來(lái)模擬熱源的輸入，經(jīng)過(guò)估算焊縫最高溫度在2 000 ℃左右，模擬時(shí)給焊縫區(qū)單元賦予2 000 ℃的溫度。熱源的移動(dòng)，通過(guò)APDL 語(yǔ)言和生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1．4 結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要將熱分析單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元，在ANSYS13．0 中，solid70 轉(zhuǎn)換為solid185。由于高溫?zé)嵛镄詤?shù)的缺失，高溫?zé)嵛镄阅軈?shù)將用線性插值的方法獲得。力學(xué)邊界條件根據(jù)實(shí)際焊接工藝，對(duì)下蓋板底面的四個(gè)角點(diǎn)施加全約束，上蓋板頂面的四個(gè)角點(diǎn)施加了Z 方向的約束。

圖3 總變形云圖

2 結(jié)果分析與討論

2．1 焊接殘余變形的分布

圖3 為轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接總變形云圖，因?qū)嶋H變形較小，圖中將變形放大了20 倍。從圖中可以看出: 構(gòu)架整體向A 焊縫方向傾斜，這可能與先焊的第一條焊縫為A 有關(guān)。從理論上分析，在焊第一道焊縫時(shí)，由于四塊板之間并沒(méi)有連接，焊縫A 所引起的變形所受拘束度較小，因而引起的變形較大。由于下蓋板底面四個(gè)角點(diǎn)都施加了全約束，下蓋板變形量總體來(lái)說(shuō)較小。而上蓋板由于只施加了Z 方向的約束，從圖中可以看出其沿Y 方向的變形很大，最大值達(dá)到1．548 mm，這也是造成上蓋板總變形量大的主要原因。

圖4 為各個(gè)方向變形分布云圖。從中可以看出，X 方向的位移表現(xiàn)為由兩頭向中間收縮，即側(cè)梁沿焊縫方向產(chǎn)生了收縮，兩頭向中間的收縮量大致相等，其值分別為0．846 mm 和-0．935 mm;在Y 方向上，由于上蓋板沒(méi)有施加Y 方向上的約束，而下蓋板施加了Y 方向的約束，最終，上蓋板沿Y 的負(fù)方向產(chǎn)生了較大的變形，其值為-1．548 mm，下蓋板的位移較小，最大值僅為0．213 mm; Z 方向上，由于上下蓋板都施加了Z 方向的約束，其變形值較其它方向相比大約小一個(gè)數(shù)量級(jí)?？偟膩?lái)說(shuō)，模擬結(jié)果的變形情況與實(shí)際情況吻合較好。

圖4 變形在各個(gè)方向上的分布云圖

2．2 焊接殘余應(yīng)力的分布

圖5 路徑P1、P2 的選取

為了分析焊接殘余應(yīng)力的大小和分布，繪出了兩條路徑的縱向殘余應(yīng)力圖，其中路徑P1 為下蓋板和左側(cè)立板的角焊縫，為沿焊縫長(zhǎng)度方向的路徑，路徑P2為拐角處垂直焊縫的橫向路徑，路徑取向如圖5 所示。

從圖6 可以看出，等效應(yīng)力有兩個(gè)峰值275 MPa 和260 MPa，這兩處峰值的位置對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁傾斜部分的位置，因此，傾斜部分是轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)的脆弱部分，有必要對(duì)其進(jìn)行加固處理，這與實(shí)際工藝中在此處采用厚板進(jìn)行加固是相符合的。從圖7 可以看出，縱向應(yīng)力在焊縫的位置達(dá)到最大值250 MPa，為拉應(yīng)力;隨著與焊縫中心距離的增加，拉應(yīng)力值迅速下降，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值較小，只有11 MPa。模擬的殘余應(yīng)力分布情況完全符合焊接理論。

圖6 路徑P1 的等效應(yīng)力分布

圖7 路徑P2 的縱向應(yīng)力分布

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行比較，模擬的焊接殘余變形和應(yīng)力結(jié)果與實(shí)際情況是完全符合的。這就使用數(shù)值模擬的方法來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接工藝成為可能。

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁不同的焊接工藝進(jìn)行模擬，對(duì)其殘余變形和應(yīng)力進(jìn)行比較，即可找出最佳的焊接工藝。與實(shí)體試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬的方法不僅節(jié)約時(shí)間，能縮短產(chǎn)品試制周期，還可以省掉高昂的試驗(yàn)費(fèi)用，大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

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