約束方式對動車組側梁焊接殘余應力及變形影響的仿真研究

秦禮+胡文浩+馬玉國

摘要：采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元網格模型?；赟YSWELD平臺，設計了兩種約束方案，對動車組轉向架構架側梁進行了焊接過程仿真分析。分析結果表明：兩種方案最大殘余應力差別不大；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%。

關鍵詞：動車組；轉向架側梁；焊接殘余應力；變形影響；有限元網絡模型 文獻標識碼：A

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

動車組轉向架由驅動和制動裝置、減震裝置和定位裝置四部分組成，轉向架上幾乎所有的部件都安裝在構架上。在高速運行的情況下，構架的整體具有較大的縱向加速度，側梁同時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，因此側梁的質量對構架的質量起著至關重要的作用。構架側梁采用箱型焊接結構，其生產質量對構架的性能和安全性有重要的影響。為提高構架的裝配質量，需要在焊接生產過程中嚴格控制側梁的焊接變形。

本文針對焊接量較大的構架側梁的焊接過程，采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元網格模型。基于SYSWELD平臺，充分考慮焊接過程中熱-機械-冶金耦合，基于熱彈塑性理論，同時考慮計算效率問題，使用熱循環(huán)曲線實現(xiàn)熱加載，設計了內腔焊接的兩種工裝裝卡方案，實現(xiàn)了不同工裝情況下的焊接變形和殘余應力計算，并對相應的結果進行了分析。

1 構架側梁焊接仿真的技術路線

1.1 有限元網格模型的建立

有限元法是適應使用計算機技術而發(fā)展起來的一種有效的數(shù)值方法。在焊接領域，有限元法已經廣泛地用于焊接熱傳導、焊接熱彈塑性應力和變形分析、焊接結構的斷裂力學分析等的研究。

針對構架側梁焊接過程的仿真，首先要對側梁的幾何模型進行離散化，將側梁幾何模型簡化為由有限個單元組成的離散化模型，接著對離散化模型進行數(shù)值求解?？紤]到焊接過程中各種物理現(xiàn)象的復雜性以及側梁結構的復雜性，在建立網格模型時必須考慮到計算效率問題。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，應力分布變化明顯，所以對該區(qū)域的網格進行細分，采用較小的網格尺寸，兼顧到計算效率問題，遠離焊縫區(qū)域采用較大的網格尺寸。側梁網格模型如圖1所示，一共154257個8節(jié)點實體單元。

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)值準確性對模擬結果的精度有很大的影響。本仿真模擬考慮到的動態(tài)熱物理性能參數(shù)有彈性形模量、比熱容、屈服強度、熱導率，如圖2所示，真實應力-應變曲線如圖3所示。設定泊松比為0.33，密度20℃為7.815e-6kg/mm3，1500℃為7.29e-6kg/mm3，熱應變20℃為0，1200℃為0.0195，1300℃為0.0208。

1.3 焊縫填充過程建模

在進行有限元模型建模時，焊縫區(qū)和構件整體是一起建模的。然而在實際的焊接過程中，填充的焊材是伴隨著焊接熱源向前移動而得到的，這樣焊縫區(qū)的材料實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將焊縫材料熱傳導矩陣乘以一個很小的因子，熱載荷、密度和比熱容設為零，即將單元“殺死”，當熱源移動到焊縫時通過編寫函數(shù)重新激活它，使單元的比熱容、熱傳導和密度等恢復到原始狀態(tài)。采用此種方法在單元激活時，彈性模量的突然變化會導致計算的熱震蕩，熱震蕩會影響到自動時間步長和坐標系統(tǒng)的移動。此外，采用生死單元法，需要對構件上的每條焊縫分別設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率設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很小的一個溫度范圍內迅速轉化成熔化母材的屬性，轉化過程如圖4所示。該方法解決了生死單元法熱震蕩的問題，而且操作簡單，適用于大型構件的焊接仿真。

1.4 熱源的選取

在眾多的熱源模型中，一維的Rosenthal熱源模型（瞬時的點、線、面熱源）、高斯圓形面熱源以及雙橢球熱源模型對焊接仿真的發(fā)展起到了很大的推動作用。這三種經典的熱源模型無論哪一種，用于大型構件多層多道焊很難同時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)的移動熱源相比省去了位移場的解算，減少了大量的計算量，提高了仿真的效率，同時保證了一定的精度。

2 側梁內腔焊接過程的仿真

2.1 內腔工裝方案的確定

針對側梁內腔焊接，設計了兩種工裝方案，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彎的約束。側梁的焊接順序見圖6。

2.2 內腔仿真結果與分析

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

內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立板兩端。方案1外側立板兩端相對位置增加了1.404mm，方案2外側立板兩端相對位置增加了2.135mm。

內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立板兩端，最大變形量分別為0.99mm和2.028mm。

內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內側立板向外彎曲，外側立板向內彎曲，最大變形位于內側立板兩端，變形量為1.319mm。

3 結語

本課題基于熱彈塑性有限元方法，在給定焊接順序的基礎上，通過焊接工裝裝卡位置優(yōu)化、預設反變形等，實現(xiàn)側梁內腔與外部焊縫焊接的變形預測和控制。

（1）兩種方案最大應力分別為451.179MPa和464.807MPa，增加限制一個方向變形的約束對Von Mises應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??；（3）綜合焊接殘余應力和焊接變形的影響，方案1與方案2焊接應力相差不大，但是焊接變形明顯低于方案2，因此采用多點約束的方案1是更適用于實際的側梁工裝壓卡方案。

參考文獻

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[2] 徐琳，余昌蓮，周旭春，等.焊接變形預測的研究進展[J].機械工程師，2006，（2）.

作者簡介：秦禮（1965-），男，中車唐山機車車輛有限公司轉向架技術中心高級工程師，研究方向：軌道車輛轉向架技術管理；胡文浩（1982-），男，中車唐山機車車輛有限公司轉向架技術中心高級工程師，碩士，研究方向：軌道車輛轉向架工藝技術；馬玉國（1966-），女（滿族），中車唐山機車車輛有限公司轉向架技術中心工程師，研究方向：軌道車輛轉向架技術管理。

（責任編輯：黃銀芳）