某車體側(cè)墻立柱焊接過程CAE仿真研究

滿春水 李曉東 衷 揚(yáng) 李龍飛 李文娟 石 磊

（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

目前，CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的研究已經(jīng)在制造業(yè)推廣，在影響CAE技術(shù)發(fā)展的諸多因素中，人才、計(jì)算機(jī)硬件和分析軟件是三個(gè)最主要的方面，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)為CAE技術(shù)奠定了良好的硬件基礎(chǔ)。多年來，重視CAE技術(shù)人才的培養(yǎng)和分析軟件的開發(fā)和推廣應(yīng)用，發(fā)達(dá)國(guó)家不僅在科技界，而且在工程界，已經(jīng)具有一支較強(qiáng)的掌握CAE技術(shù)的人才隊(duì)伍，同時(shí)在分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用方面也達(dá)到了較高水平。

焊接技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中最有效、應(yīng)用最廣泛的連接方法，廣泛應(yīng)用于軌道車輛、船舶、航空航天等制造工程領(lǐng)域。在焊接過程中，由于其不均勻的加熱及冷卻過程，焊接結(jié)構(gòu)焊后存在著不可避免的焊接殘余應(yīng)力和變形。特別是對(duì)于大型結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)尺寸大，形狀復(fù)雜，焊縫總長(zhǎng)度長(zhǎng)，焊后殘余應(yīng)力、變形情況更為復(fù)雜，對(duì)制造精度及使用性能的影響更為顯著，裝備制造業(yè)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)提供技術(shù)裝備，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強(qiáng)，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步的重要保障和國(guó)家綜合實(shí)力的集中體現(xiàn)。最近幾年，我國(guó)的制造業(yè)發(fā)展速度快，重大技術(shù)裝備自主化水平顯著提高，已經(jīng)成長(zhǎng)為裝備制造業(yè)大國(guó)。然而產(chǎn)業(yè)大而不強(qiáng)，高新技術(shù)與傳統(tǒng)裝備工業(yè)改造結(jié)合不夠，裝備制造業(yè)信息化程度、自動(dòng)化程度不高。對(duì)于鋁合金車體而言，由于鋁合金具有導(dǎo)熱率大、熱膨脹系數(shù)大等特性，其焊接結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力、變形更為顯著，因此對(duì)鋁合金車體的焊接變形控制也成為亟待解決的問題。

焊接數(shù)值模擬技術(shù)充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)，通過建立精確的數(shù)學(xué)物理模型，數(shù)字化再現(xiàn)焊接過程，可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜或不可觀察現(xiàn)象的定量分析。應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)為實(shí)際焊接生產(chǎn)提供全面的參考數(shù)據(jù)和可行性理論支持，為控制焊接變形提供了一個(gè)很好的方法，是提高焊接技術(shù)科學(xué)性的有效工具。

有限元法求解焊接問題就是通過軟件內(nèi)置的一系列的假設(shè)和近似，獲得了微分方程（或積分方程）及相應(yīng)的定解條件，并預(yù)期在某一連續(xù)空間和時(shí)間內(nèi)求解這組方程后，微分方程（或積分方程）的解等價(jià)于物理解。由于微分方程求解存在數(shù)學(xué)上的困難，所以采用時(shí)間和空間離散的方法，將微分方程組及其定解條件轉(zhuǎn)化為一個(gè)超大型的代數(shù)方程組，并預(yù)期求解這個(gè)代數(shù)方程組后，代數(shù)方程組的解等價(jià)于微分方程的解。

焊接變形預(yù)測(cè)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和使用具有重要意義，進(jìn)行焊接變形準(zhǔn)確預(yù)測(cè)較為困難。焊接變形預(yù)測(cè)的理論依據(jù)主要有解析法、基于彈性有限元的固有應(yīng)變法，焊接熱彈塑性有限元法、粘彈塑性有限元法、建立在實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)之上的經(jīng)驗(yàn)公式等。解析法以焊接熱傳導(dǎo)理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)理論、殘余塑變理論或彎曲理論為基礎(chǔ)，能夠確定一些較為簡(jiǎn)單的焊接變形。對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件，利用解析法求解則非常困難。

本文使用ABAQUS軟件，模擬了車體側(cè)墻邊梁立柱焊接這一典型焊接結(jié)構(gòu)，對(duì)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為不同焊接結(jié)構(gòu)計(jì)算分析選擇適用方法提供了參考。并對(duì)其溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬。本研究利用現(xiàn)有車體側(cè)墻焊接結(jié)構(gòu)的焊接試驗(yàn)，以及大型商用有限元軟件ABAQUS的模擬，完成了焊接試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)仿真，進(jìn)行了多區(qū)域網(wǎng)格劃分、焊接溫度場(chǎng)分析、焊接變形過程再現(xiàn)、現(xiàn)車焊接試驗(yàn)、焊接熱輸入量預(yù)測(cè)，尋求材料可能的極限服役狀態(tài)，而對(duì)已有的先進(jìn)材料也必須預(yù)設(shè)典型的服役環(huán)境，推演其可能的焊接行為。

1 數(shù)值模擬方法

本文利用大型商用有限元軟件ABAQUS，完成車體側(cè)墻立柱結(jié)構(gòu)的焊接過程的計(jì)算機(jī)仿真，并跟蹤側(cè)墻制造過程，在現(xiàn)車上進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，對(duì)焊接過程進(jìn)行分析，調(diào)整和優(yōu)化了焊接工藝。

1.1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)的描述

鋁合金車體側(cè)墻是鋁合金車體的一部分，主要由邊梁和立柱拼焊而成，側(cè)墻作為支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)車體平穩(wěn)性具有重大影響，其關(guān)鍵點(diǎn)為立柱與邊梁的組焊。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪x擇

本文為真實(shí)再現(xiàn)某鋁合金車體側(cè)墻的實(shí)際試驗(yàn)工況，建立了側(cè)墻部件的整體模型，試樣重點(diǎn)提取了側(cè)墻邊梁、立柱間的焊縫，其真實(shí)結(jié)構(gòu)得到還原，如圖1所示，能夠更有效地從焊接接頭層面上分析焊接的過程。

圖1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)圖

1.3 試驗(yàn)物理現(xiàn)象描述

本文以鋁合金車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，應(yīng)用雙橢球熱源模擬的方法，對(duì)其進(jìn)行焊接變形數(shù)值模擬，分析了其焊接特征。并通過改變焊接方向、焊接順序，對(duì)比改變前后變形情況，對(duì)鋁合金車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)的焊接過程進(jìn)行工藝優(yōu)化。本文具體研究?jī)?nèi)容包括：

（1）建立車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)的焊接溫度場(chǎng)計(jì)算有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算。

（2）結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)的卡具條件，建立了車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)焊接變形的熱彈塑性有限元分析模型，并使用雙橢球熱源法對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)焊接情況進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)了其分布規(guī)律及特征。

（3）通過改變焊接方向和順序以及改變熱輸入量，提出合理可行優(yōu)化方案，并按照提出的方案分別對(duì)車體側(cè)墻結(jié)構(gòu)焊接變形進(jìn)行模擬計(jì)算，將其模擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，分析了各方案對(duì)焊接質(zhì)量的影響，選擇了最優(yōu)方案。

分析主要針對(duì)邊梁、立柱焊接過程，如圖2所示。

圖2 焊縫狀態(tài)圖

2 焊接試驗(yàn)的熱源模型描述

焊接熱源模型包括高斯熱源模型、雙橢球熱源模型和半球狀熱源模型，高斯熱源模型是溫度在等直徑圓范圍內(nèi)，溫度高低是按高斯曲線分布的，一般用于手工電弧焊、鎢極氬弧焊的計(jì)算中。半球狀熱源模型一般用于高能束焊等的計(jì)算中，本文涉及到的焊接使用傳統(tǒng)MIG焊焊接，熱源模型選擇雙橢球熱源模型，考慮到熱源移動(dòng)時(shí)熱流分布的影響，熱源前后方分布方式不同。雙橢球熱源模型一般用于MIG焊等穿透能力強(qiáng)的計(jì)算中，模型如圖3所示。

圖3 雙橢球熱源狀態(tài)圖

3 焊接仿真、變形測(cè)試過程描述

本文針對(duì)鋁合金車體側(cè)墻采用仿真和工藝驗(yàn)證的方法同時(shí)進(jìn)行，以普通PC機(jī)為首選軟件平臺(tái)，并且采用傳統(tǒng)的手工焊接進(jìn)行焊接試驗(yàn)，采取了一系列針對(duì)性的技術(shù)進(jìn)步措施，發(fā)展出針對(duì)車體其部件焊接行為的“焊接工藝仿真、熱輸入量預(yù)設(shè)、過程模擬、行為計(jì)算、現(xiàn)象表征、優(yōu)化方案”手段。

3.1 側(cè)墻焊接仿真有限元模型

根據(jù)現(xiàn)有焊接工藝，建立帶工裝夾具側(cè)墻模型進(jìn)行焊接仿真試驗(yàn)，預(yù)測(cè)出各工況下的焊接變形，對(duì)比分析后實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)墻焊接試驗(yàn)的工藝模擬，試驗(yàn)采用雙橢球熱源模型進(jìn)行加載。

記錄不同工況下的焊接質(zhì)量，預(yù)設(shè)焊接熱輸入量以及預(yù)設(shè)的熱輸入量對(duì)焊接質(zhì)量的影響，真實(shí)再現(xiàn)了側(cè)墻立柱MIG焊焊接全過程，側(cè)墻邊梁、立柱有限元模型及分析結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 側(cè)墻有限元模型

圖5 側(cè)墻焊接熱流分布圖

3.2 鋁合金車體側(cè)墻焊接試驗(yàn)

本文焊接側(cè)墻邊梁和立柱，母材為某型號(hào)鋁合金，焊接接頭采用角接，焊接位置PB，鋁合金的化學(xué)活潑性很強(qiáng)，表面極易形成氧化膜，且多具難熔性質(zhì)，鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)容易造成不融合現(xiàn)象，同時(shí)氧化膜可以吸收很大水分，常常成為焊縫氣孔的重要原因之一，再者，鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率大，導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)是鋼的3倍，因此對(duì)于焊接相同厚度的鋁合金和鋼，鋁合金焊接需要的熱量更大，而且會(huì)有嚴(yán)重的扭曲變形和較高的殘余應(yīng)力。

本文進(jìn)行的焊接試驗(yàn)，通過以下方面減少了焊接缺陷：

（1）避免電流太小或焊速過快（線能量不夠）。

（2）避免電流太大，使焊條大半根發(fā)紅而熔化太快，母材還未到熔化溫度便覆蓋上去。

（3）避免坡口有油污、銹蝕。

（4）避免焊件散熱速度太快，或起焊處溫度低。

（5）避免操作不當(dāng)或磁偏吹，焊條偏弧等。

圖6 現(xiàn)車試驗(yàn)焊縫

3.3 鋁合金車體側(cè)墻焊接試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果

根據(jù)焊接仿真試驗(yàn)及現(xiàn)車焊接試驗(yàn)，最終得到優(yōu)化的工藝方案，對(duì)比和試驗(yàn)的方案如表1所示。

表1 工藝方案對(duì)比焊接質(zhì)量

結(jié)果顯示，按照工藝6的數(shù)值進(jìn)行預(yù)置，依據(jù)EN910（金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)-彎曲試驗(yàn)）、EN1320（金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)-斷裂試驗(yàn)）對(duì)調(diào)整焊接工藝的接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，依照工藝6進(jìn)行焊接的焊縫的焊接質(zhì)量最佳。

4 結(jié)果與討論

本文利用大型商用有限元軟件ABAQUS，采用有限元方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法針對(duì)某鋁合金車體側(cè)墻在焊接過程中熱循環(huán)行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在焊接電流和焊接電壓兩個(gè)層面，加以對(duì)比分析，通過試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，仿真試驗(yàn)很大程度上提高了焊接試驗(yàn)的效率，將CAE分析與車體制造工藝同時(shí)作為研究對(duì)象完全可以實(shí)現(xiàn)，尤其是在焊接制造工藝方面，CAE仿真分析得到了充分運(yùn)用。

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