基于SYSWELD的CRH₂-300鋁合金車體緩沖梁和牽引梁焊接數(shù)值模擬

張勇軍，陳 鵬，何金光，徐紫薇，姬生星

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 前言

在CRH2－300鋁合金車體中，緩沖梁和牽引梁是列車底架的主要構(gòu)成部分，在列車高速運(yùn)行中，緩沖梁和牽引梁工作情況較為復(fù)雜，對(duì)焊接質(zhì)量要求較高。而在緩沖梁和牽引梁的焊接中，由于其焊縫較多，且長度較大，殘余應(yīng)力的分布較為復(fù)雜。故研究分析其焊接應(yīng)力殘余應(yīng)力大小分布規(guī)律及影響因素，以減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)鋁合金車體的安全運(yùn)行意義重大［1］。本研究采用殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的方法對(duì)緩沖梁和牽引梁連接部位進(jìn)行模擬計(jì)算，既可以了解緩沖梁和牽引梁連接部位焊縫的殘余應(yīng)力分布，還能比較不同的工藝，具有較大的經(jīng)濟(jì)性［2］。

1 試驗(yàn)方法

在計(jì)算動(dòng)車組車體鋁合金焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力過程中，選用法國ESI公司開發(fā)的熱加工專業(yè)計(jì)算軟件SYSWELD。焊接殘余應(yīng)力模擬計(jì)算主要分兩階段進(jìn)行實(shí)施:一是建立計(jì)算所需的材料數(shù)據(jù)庫;二是根據(jù)圖紙建立相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出典型接頭的殘余應(yīng)力分布規(guī)律［3］。同時(shí)對(duì)不同焊接工藝、不同焊接順序進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到這些條件下緩沖梁和牽引梁焊接接頭的殘余應(yīng)力大小、分布規(guī)律，為生產(chǎn)過程中控制焊接殘余應(yīng)力提供依據(jù)和幫助。

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

緩沖梁和牽引梁的連接焊縫共有14條，構(gòu)件長度共有3 m，均采用MIG焊進(jìn)行焊接。因結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，故計(jì)算中取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。焊縫位置的網(wǎng)格控制在約2 mm，網(wǎng)格單元共有227 614個(gè)。其網(wǎng)格劃分如圖1所示。溫度場(chǎng)分析和應(yīng)力場(chǎng)分析使用相同的節(jié)點(diǎn)和單元，模型采用軸對(duì)稱單元。

圖1 緩沖梁與牽引梁計(jì)算模型

1.2 材料數(shù)據(jù)庫的建立

緩沖梁和牽引梁材料均為A7N01，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 A7N01的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of A7N01 %

為了能準(zhǔn)確模擬焊接過程和焊接結(jié)束后的焊縫甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力狀況，就需要建立材料在各個(gè)溫度下的性能數(shù)據(jù)庫。在本研究中建立材料數(shù)據(jù)庫過程中所需的參數(shù)，常溫下的參數(shù)用實(shí)驗(yàn)測(cè)得，而高溫的材料性能則通過JMatPro 4.1軟件計(jì)算和查詢材料手冊(cè)獲得。

運(yùn)用JMatPro 4.1軟件計(jì)算和查找相關(guān)的材料手冊(cè)和文獻(xiàn)得到的的鋁合金材料性能參數(shù)如圖2～圖5所示。

圖2 A7N01的比熱容Fig.2 Specific heat of A7N01

1.3 熱源和約束

SYSWELD提供三種熱源:2D高斯表面熱源適用于表面熱處理;雙橢球熱源適用于常規(guī)弧焊，如TIG、MIG、SAW等;3D高斯圓錐形熱源適用于高能束流焊接，如激光焊、電子束焊等。本研究采用雙橢球熱源模型模擬電弧焊。

圖3 A7N01的密度Fig.3 The density of A7N01

圖4 A7N01的導(dǎo)熱率Fig.4 Thermal conductivity of A7N01

由于所計(jì)算的焊接為MIG焊，為更好地體現(xiàn)實(shí)際情況，在進(jìn)行焊接接頭計(jì)算時(shí)采用雙橢球熱源模型。實(shí)踐證明雙橢球熱源模型用于模擬MIG、TIG等焊接，能獲得較高的精度。熱源模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式［4］如下

進(jìn)行應(yīng)力分析場(chǎng)計(jì)算時(shí)，模擬實(shí)際情況在遠(yuǎn)離焊縫部位端部限制其三個(gè)方向移動(dòng)，保證模型不產(chǎn)生剛性移動(dòng)。

圖5 A7N01不同溫度下的屈服應(yīng)力Fig.5 A7N01 yield stress under different temperature

1.4 焊接接頭應(yīng)力計(jì)算及試驗(yàn)比對(duì)

在對(duì)鋁合金車體的焊接接頭和結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析前，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。取對(duì)接接頭進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力模擬計(jì)算，并用小孔法測(cè)試試驗(yàn)中的接頭。對(duì)接接頭是由兩塊尺寸300 mm×110 mm×8 mm構(gòu)成，材料均為A6N01S－T5，均采用MIG焊，焊接電流為270 A，焊接電壓為27 V，焊接速度為520 mm/min。對(duì)接接頭開V型坡口，兩層焊滿，在模擬過程中施加兩次熱源來模擬兩層焊。計(jì)算過程采用雙橢球熱源對(duì)模型加熱，在施加熱源之前調(diào)態(tài)熱源的高斯參數(shù)。計(jì)算的模型和縱向應(yīng)力分布云圖如圖6、圖7所示。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如表2、圖8所示。

圖6 對(duì)接計(jì)算模型Fig.6 Calculation model for docking

圖7 對(duì)接接頭縱向應(yīng)力分布Fig.7 Butt joint the longitudinal stress distribution

表2 對(duì)接接頭殘余應(yīng)力測(cè)試和計(jì)算結(jié)果Tab.2 Residual stress in butt joint test and calculation results

圖8 對(duì)接接頭計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)比較Fig.8 The comparison of butt joint calculation results and experiment

由圖可知，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果在殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)是相似的，即在焊縫上存在殘余拉應(yīng)力，隨著離焊縫距離的增加，殘余拉應(yīng)力逐漸減小，最后轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力。兩種方法的殘余應(yīng)力大小有所區(qū)別，小孔法雖然測(cè)試的深度可以達(dá)到2 mm［5］，計(jì)算結(jié)果取出的數(shù)據(jù)位置的厚度大于2 mm，因此在數(shù)值上有所偏差，但是這種偏差在工程上是允許的，所以采用SYSWELD軟件計(jì)算焊接殘余應(yīng)力分布是可靠的。

2 結(jié)果和分析

緩沖梁和牽引梁的連接焊縫共有14條，計(jì)算中取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，所有焊縫均采用相同焊接工藝和參數(shù)。為了定義方便，對(duì)焊縫進(jìn)行編號(hào)，如圖9所示。

圖9 對(duì)接接頭計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)比較Fig.9 The serial number of the weld

由于本次模擬的對(duì)象工件，實(shí)際殘余應(yīng)力并未測(cè)試，廠方僅要求通過焊接模擬測(cè)試各種焊接工藝下的焊接殘余應(yīng)力和變形以指導(dǎo)實(shí)際焊接，以下是在模擬過程中所考慮的不同焊接工藝及其結(jié)果分析。

2.1 不同焊接順序下的殘余應(yīng)力模擬

對(duì)于多條焊縫的構(gòu)件，焊縫順序?qū)?gòu)件的殘余應(yīng)力值分布有一定的影響。為了尋找最佳的焊接順序，分別模擬了如下三種不同的焊接順序:

(1)1→2→3→4→5→6→7。

(2)3→4→1→2→5→6→7。

(3)6→7→1→2→3→4→5。

在緩沖梁和牽引梁的連接焊縫在工作狀態(tài)中，焊縫6和焊縫7是主要受力焊縫，因此著重關(guān)注這兩條焊縫的應(yīng)力分布狀態(tài)，表3和圖10縱向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的取點(diǎn)均來自焊縫6。三種不同的焊接順序、焊接工藝相同的條件下產(chǎn)生的縱向殘余應(yīng)力值和應(yīng)力變化曲線如表3和圖10所示。

表3 不同順序下的縱向應(yīng)力Tab.3 Longitudinal stress under different order

圖10 縱向應(yīng)力變化曲線Fig.10 Longitudinal stress change curve

由圖10可知，不同的焊接順序下，所取點(diǎn)的應(yīng)力分布趨勢(shì)一致，縱向殘余應(yīng)力均隨著離焊縫中心距離的逐漸增大而變小，應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，最后趨于平緩。第三種焊接順序下，所取點(diǎn)對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值最小，相對(duì)前兩種焊接順序殘余應(yīng)力值降低了25 MPa，分析其殘余應(yīng)力降低的原因主要是由于先焊接第6、7條焊縫，隨后的焊接過程會(huì)對(duì)焊縫6、7起到一個(gè)焊后熱處理的作用，因此導(dǎo)致殘余應(yīng)力的降低。

2.2 不同線能量下的殘余應(yīng)力模擬

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焊接情況，模擬緩沖梁和牽引梁的焊接，具體工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)

分別在三種線能量輸入的情況下進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 線能量為2.67 kJ/cm下的縱向焊接殘余應(yīng)力分布云圖

計(jì)算結(jié)果如圖12、圖13所示。在緩沖梁和牽引梁的焊接中，當(dāng)輸入不同線能量時(shí)，焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律相同，數(shù)值上有所差別;焊接線能量增大，緩沖梁和牽引梁的連接焊縫的最大焊接殘余應(yīng)力也隨之增大，母材的殘余應(yīng)力變化不大。

圖12 不同熱輸入下的最大縱向焊接殘余應(yīng)力

圖13 不同熱輸入下的縱向焊接殘余應(yīng)力

在該構(gòu)件的模擬中，由于采用的是全約束，限制了構(gòu)件的自由度，隨著焊接線能量的增加，焊縫區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力值也會(huì)隨之增大，而該應(yīng)力得不到釋放，因此最后殘留在焊縫區(qū)的應(yīng)力值會(huì)隨著線能量的增大而增大。

3 結(jié)論

通過SYSWELD軟件對(duì)CRH2－300鋁合金車體緩沖梁和牽引梁焊連接部位接接頭及結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析緩沖梁和牽引梁連接部位焊縫的焊接殘余應(yīng)力分布，并討論不同焊接順序及焊接線能量下結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的變化，得出如下結(jié)論:

(1)通過比較鋁合金對(duì)接接頭的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，證明利用JMatPro4.1軟件計(jì)算的材料性能參數(shù)和SYSWELD軟件對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算的方法都是合理可信的。

(2)通過對(duì)高速列車緩沖梁和牽引梁連接部位進(jìn)行焊接模擬計(jì)算，獲得了構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。計(jì)算結(jié)果顯示:計(jì)算的焊縫最大縱向殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫及近縫區(qū)，數(shù)值為材料屈服的60%～80%。

(3)對(duì)于有多條焊縫的結(jié)構(gòu)，后焊的焊縫對(duì)先前焊完的焊縫有熱處理作用，使之焊接殘余應(yīng)力降低，最小殘余拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在最先焊接的焊縫及近縫區(qū)，所有焊縫及近縫區(qū)焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律相同。

(4)在不同焊接工藝的情況下，隨著線能量增大，焊縫和近縫區(qū)的焊接殘余應(yīng)力有所減小，但應(yīng)力數(shù)值變化不大;焊接殘余應(yīng)力高拉應(yīng)力區(qū)范圍增大;焊縫及近縫區(qū)焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。

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