秦禮+胡文浩+馬玉國(guó)

摘要：采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元網(wǎng)格模型。基于SYSWELD平臺(tái)，設(shè)計(jì)了兩種約束方案，對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁進(jìn)行了焊接過程仿真分析。分析結(jié)果表明：兩種方案最大殘余應(yīng)力差別不大；方案1比方案2最大變形降低51.88%；X方向最大變形降低39.95%；Y方向最大變形降低60.05%；Z方向最大變形降低77.10%。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；轉(zhuǎn)向架側(cè)梁；焊接殘余應(yīng)力；變形影響；有限元網(wǎng)絡(luò)模型 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG404 文章編號(hào)：1009-2374（2017）06-0008-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.004

動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架由驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)裝置、減震裝置和定位裝置四部分組成，轉(zhuǎn)向架上幾乎所有的部件都安裝在構(gòu)架上。在高速運(yùn)行的情況下，構(gòu)架的整體具有較大的縱向加速度，側(cè)梁同時(shí)還受到垂向載荷和橫向載荷，比橫梁承受的外部載荷更大，所處工作環(huán)境更惡劣，因此側(cè)梁的質(zhì)量對(duì)構(gòu)架的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。構(gòu)架側(cè)梁采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)質(zhì)量對(duì)構(gòu)架的性能和安全性有重要的影響。為提高構(gòu)架的裝配質(zhì)量，需要在焊接生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制側(cè)梁的焊接變形。

本文針對(duì)焊接量較大的構(gòu)架側(cè)梁的焊接過程，采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元網(wǎng)格模型?；赟YSWELD平臺(tái)，充分考慮焊接過程中熱-機(jī)械-冶金耦合，基于熱彈塑性理論，同時(shí)考慮計(jì)算效率問題，使用熱循環(huán)曲線實(shí)現(xiàn)熱加載，設(shè)計(jì)了內(nèi)腔焊接的兩種工裝裝卡方案，實(shí)現(xiàn)了不同工裝情況下的焊接變形和殘余應(yīng)力計(jì)算，并對(duì)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 構(gòu)架側(cè)梁焊接仿真的技術(shù)路線

1.1 有限元網(wǎng)格模型的建立

有限元法是適應(yīng)使用計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值方法。在焊接領(lǐng)域，有限元法已經(jīng)廣泛地用于焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析等的研究。

針對(duì)構(gòu)架側(cè)梁焊接過程的仿真，首先要對(duì)側(cè)梁的幾何模型進(jìn)行離散化，將側(cè)梁幾何模型簡(jiǎn)化為由有限個(gè)單元組成的離散化模型，接著對(duì)離散化模型進(jìn)行數(shù)值求解?？紤]到焊接過程中各種物理現(xiàn)象的復(fù)雜性以及側(cè)梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立網(wǎng)格模型時(shí)必須考慮到計(jì)算效率問題。由于焊接是局部加熱的過程，焊縫和附近區(qū)域溫度梯度較大，應(yīng)力分布變化明顯，所以對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，采用較小的網(wǎng)格尺寸，兼顧到計(jì)算效率問題，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域采用較大的網(wǎng)格尺寸。側(cè)梁網(wǎng)格模型如圖1所示，一共154257個(gè)8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。

1.2 材料模型的建立

材料熱物理屬性在焊接過程中呈現(xiàn)出非線性變化，其數(shù)值準(zhǔn)確性對(duì)模擬結(jié)果的精度有很大的影響。本仿真模擬考慮到的動(dòng)態(tài)熱物理性能參數(shù)有彈性形模量、比熱容、屈服強(qiáng)度、熱導(dǎo)率，如圖2所示，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。設(shè)定泊松比為0.33，密度20℃為7.815e-6kg/mm3，1500℃為7.29e-6kg/mm3，熱應(yīng)變20℃為0，1200℃為0.0195，1300℃為0.0208。

1.3 焊縫填充過程建模

在進(jìn)行有限元模型建模時(shí)，焊縫區(qū)和構(gòu)件整體是一起建模的。然而在實(shí)際的焊接過程中，填充的焊材是伴隨著焊接熱源向前移動(dòng)而得到的，這樣焊縫區(qū)的材料實(shí)際上是分為三種狀態(tài)的：已焊、正在焊和未焊焊縫。在焊接的仿真中，焊接材料的填充普遍使用的是生死單元法，焊接熱源未到焊縫時(shí)將焊縫材料熱傳導(dǎo)矩陣乘以一個(gè)很小的因子，熱載荷、密度和比熱容設(shè)為零，即將單元“殺死”，當(dāng)熱源移動(dòng)到焊縫時(shí)通過編寫函數(shù)重新激活它，使單元的比熱容、熱傳導(dǎo)和密度等恢復(fù)到原始狀態(tài)。采用此種方法在單元激活時(shí)，彈性模量的突然變化會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的熱震蕩，熱震蕩會(huì)影響到自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)和坐標(biāo)系統(tǒng)的移動(dòng)。此外，采用生死單元法，需要對(duì)構(gòu)件上的每條焊縫分別設(shè)置不同的單元激活控制函數(shù)，適用性受到一定限制。

本文中焊縫的填充過程采用Chewing Gum Method，該方法為在材料模型中加入Chewing Gum相，該相彈性模量與熱導(dǎo)率設(shè)置為一極小的固定值，熱膨脹系數(shù)為零，并通過相變模型控制其屬性在該相的溫度超過母材熔點(diǎn)很小的一個(gè)溫度范圍內(nèi)迅速轉(zhuǎn)化成熔化母材的屬性，轉(zhuǎn)化過程如圖4所示。該方法解決了生死單元法熱震蕩的問題，而且操作簡(jiǎn)單，適用于大型構(gòu)件的焊接仿真。

1.4 熱源的選取

在眾多的熱源模型中，一維的Rosenthal熱源模型（瞬時(shí)的點(diǎn)、線、面熱源）、高斯圓形面熱源以及雙橢球熱源模型對(duì)焊接仿真的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。這三種經(jīng)典的熱源模型無論哪一種，用于大型構(gòu)件多層多道焊很難同時(shí)保證仿真的效率以及精度。本課題采用熱循環(huán)曲線，將熱循環(huán)曲線作為邊界條件加載到焊縫區(qū)域，通過對(duì)焊縫分段的方法模擬焊接方向，采用此種方法與傳統(tǒng)的移動(dòng)熱源相比省去了位移場(chǎng)的解算，減少了大量的計(jì)算量，提高了仿真的效率，同時(shí)保證了一定的精度。

2 側(cè)梁內(nèi)腔焊接過程的仿真

2.1 內(nèi)腔工裝方案的確定

針對(duì)側(cè)梁內(nèi)腔焊接，設(shè)計(jì)了兩種工裝方案，兩種方案約束位置及約束方向如圖5及表1所示。兩種方案均為在下蓋板四個(gè)角完全固定，方案1在下蓋板上增加了限制下蓋板立彎的約束，分別在兩塊立板兩端增加了限制側(cè)彎的約束。側(cè)梁的焊接順序見圖6。

2.2 內(nèi)腔仿真結(jié)果與分析

2.2.1 內(nèi)腔焊接仿真結(jié)果云圖。內(nèi)腔焊接完成并冷卻釋放后，方案1與方案2的Von Mises應(yīng)力云如圖7和圖8所示，最大應(yīng)力分別為451.179MPa和464.807MPa，增加限制一個(gè)方向變形的約束對(duì)Von Mises應(yīng)力的最大值影響不大。

內(nèi)腔焊接完成并冷卻釋放后，方案1與方案2的整體變形云圖如圖9和圖10所示，兩種方案的最大變形均位于外側(cè)立板兩端，最大變形量分別為1.17mm和2.43mm。方案1的最大變形比方案2減小了51.88%。

內(nèi)腔焊接完成并冷卻釋放后，方案1與方案2的X方向的變形云圖如圖11和圖12所示，最大變形均位于外側(cè)立板兩端。方案1外側(cè)立板兩端相對(duì)位置增加了1.404mm，方案2外側(cè)立板兩端相對(duì)位置增加了2.135mm。

內(nèi)腔焊接完成并冷卻釋放后，方案1與方案2的Y方向的變形云圖如圖13和圖14所示。兩種方案的立板均向下彎曲，最大變形位置位于外側(cè)立板兩端，最大變形量分別為0.99mm和2.028mm。

內(nèi)腔焊接完成并冷卻釋放后，方案1與方案2的Z方向的變形云圖如圖15和圖16所示。方案1 Z方向變形較小，方案2內(nèi)側(cè)立板向外彎曲，外側(cè)立板向內(nèi)彎曲，最大變形位于內(nèi)側(cè)立板兩端，變形量為1.319mm。

3 結(jié)語

本課題基于熱彈塑性有限元方法，在給定焊接順序的基礎(chǔ)上，通過焊接工裝裝卡位置優(yōu)化、預(yù)設(shè)反變形等，實(shí)現(xiàn)側(cè)梁內(nèi)腔與外部焊縫焊接的變形預(yù)測(cè)和控制。

（1）兩種方案最大應(yīng)力分別為451.179MPa和464.807MPa，增加限制一個(gè)方向變形的約束對(duì)Von Mises應(yīng)力的最大值影響不大；（2）方案1比方案2最大變形降低51.88%，X方向最大變形降低39.95%，Y方向最大變形降低60.05%，Z方向最大變形降低77.10%。方案1整體變形量明顯比方案2減小；（3）綜合焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的影響，方案1與方案2焊接應(yīng)力相差不大，但是焊接變形明顯低于方案2，因此采用多點(diǎn)約束的方案1是更適用于實(shí)際的側(cè)梁工裝壓卡方案。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：秦禮（1965-），男，中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心高級(jí)工程師，研究方向：軌道車輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)管理；胡文浩（1982-），男，中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心高級(jí)工程師，碩士，研究方向：軌道車輛轉(zhuǎn)向架工藝技術(shù)；馬玉國(guó)（1966-），女（滿族），中車唐山機(jī)車車輛有限公司轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心工程師，研究方向：軌道車輛轉(zhuǎn)向架技術(shù)管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）