不銹鋼車頂結(jié)構(gòu)焊接變形的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

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(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031)

0 前言

城軌車頂屬于薄板構(gòu)件長(zhǎng)程焊接結(jié)構(gòu)，其變形是影響車體整體服役性能的關(guān)鍵因素[1-2]。對(duì)大型車頂構(gòu)件進(jìn)行全面的變形測(cè)量難度大、成本高，且需要在焊后實(shí)施，無(wú)法對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，車頂選用不銹鋼作為主體材料，因不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小，易出現(xiàn)難以控制的焊接變形，降低焊接接頭質(zhì)量[3-5]。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝，成為目前焊接大型車頂結(jié)構(gòu)件控制變形的主要手段，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一大研究熱點(diǎn)[6-8]。因此，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，探索不銹鋼車頂骨架結(jié)構(gòu)焊接變形規(guī)律，并且與實(shí)際焊接效果進(jìn)行對(duì)比，分析模擬變形預(yù)測(cè)的精度。

1 固有應(yīng)變模型的建立

1.1 固有應(yīng)變網(wǎng)格

出口某國(guó)的地鐵3號(hào)線車頂結(jié)構(gòu)尺寸為21.60 m×2.76 m×0.55 m，車體材料為X2CrNiN18-7不銹鋼。采用Hypermesh網(wǎng)格劃分工具對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖1為車頂整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分示意圖，網(wǎng)格總單元數(shù)為94 734，節(jié)點(diǎn)數(shù)136 786。采用過(guò)渡型網(wǎng)格剖分方法，使焊縫區(qū)的小尺寸網(wǎng)格與遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的大尺寸網(wǎng)格之間實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。

圖1 車頂結(jié)構(gòu)網(wǎng)格部分

1.2 邊界條件

根據(jù)車頂焊接過(guò)程中的實(shí)際裝夾位置，在Weld Planner軟件中設(shè)置相應(yīng)的夾持，如圖2所示，圖中邊梁處標(biāo)出的位置即為設(shè)置的約束。

采用常用的熱邊界條件設(shè)置方法，構(gòu)件同空氣接觸界面為熱對(duì)流界面條件，單元之間采用熱傳導(dǎo)界面條件。利用自編程的固有應(yīng)變求解器Weld Planner進(jìn)行求解計(jì)算。

圖2 力邊界條件設(shè)置

2 變形測(cè)量方法

該地鐵選用KmpArc-450 脈沖焊機(jī)實(shí)施MIG焊焊接工藝。根據(jù)對(duì)地鐵車頂結(jié)構(gòu)的分析可以看出，車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸較大，幾何形狀復(fù)雜。同時(shí)，考慮到車間生產(chǎn)線實(shí)際情況，測(cè)量環(huán)境也十分復(fù)雜，對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求較高。綜合各種因素，測(cè)量設(shè)備采用三維光柵式測(cè)量?jī)x，測(cè)量示意如圖3所示。

圖3 變形測(cè)量示意圖

3 結(jié)果與分析

圖4為焊接結(jié)束撤掉裝夾后的總體變形模擬結(jié)果，紅色區(qū)域代表變形較大，藍(lán)色區(qū)域代表變形較小。從圖4可以看出，受焊接影響，車頂骨架結(jié)構(gòu)兩端出現(xiàn)了較大的變形，主要是由于焊接熱輸入積累效應(yīng)的影響。

對(duì)變形結(jié)果進(jìn)行10倍放大，模擬結(jié)果與原有基準(zhǔn)模型的對(duì)照如圖5所示。其中，彩色部分為原有模型，灰色部分為放大10倍后的模擬結(jié)果。通過(guò)圖5可以直觀看出車頂焊后變形效果及程度，此種變形對(duì)后續(xù)的裝配會(huì)產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)有的矯形工藝對(duì)車頂結(jié)構(gòu)兩端采用機(jī)械矯形，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)存在一定的裝配殘余應(yīng)力。

圖4 車頂結(jié)構(gòu)總變形云圖

圖5 車頂骨架結(jié)構(gòu)變形放大效果圖

由于車頂構(gòu)件為軸對(duì)稱的框型結(jié)構(gòu)，其縱向方向統(tǒng)計(jì)實(shí)際變形的測(cè)量結(jié)果，如圖6所示。將焊接過(guò)程分為4個(gè)階段，即自由變形階段、焊前裝夾后階段、焊后裝夾釋放前階段、焊后裝夾釋放后階段。由圖6可以看出，自由變形階段下的邊梁處于中間拱起兩端下沉的情況，最大變形量約為20 mm，這是車頂結(jié)構(gòu)在重力的影響下發(fā)生的自然變形。從焊前裝夾后階段的變形曲線可以看出，邊梁整體上變形不大，基本處于直線狀態(tài)，變形幅度在0～20 mm之間。由此可知，在進(jìn)行裝夾后，車頂結(jié)構(gòu)受重力影響的程度得到改善。焊后裝夾釋放前階段存在中間凸起兩端下沉的變形趨勢(shì)，最大變形超過(guò)50 mm，且具有明顯的方向性特征，可以認(rèn)為隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，熱變形不斷積累，造成構(gòu)件端部變形嚴(yán)重。焊后裝夾釋放后階段仍然是中間凸起兩端下沉的變形趨勢(shì)，最大變形量超過(guò)30 mm，是由于裝夾去除后構(gòu)件變形有所回彈。由此可以看出，焊接過(guò)程中裝夾對(duì)變形影響巨大，焊接將使得頂部骨架存在向上撓曲的趨勢(shì)，一旦裝夾釋放，將產(chǎn)生明顯的變形。綜合總體變形趨勢(shì)可以看出，不同階段變形對(duì)總體變形影響不同。

圖6 車頂變形過(guò)程測(cè)量結(jié)果

車頂構(gòu)件的橫向變形雖然較小，但也是很重要的變形方向，其橫向總體模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果見表1。表1中所示各截面位置如圖7所示。從模擬結(jié)果可得到各截面變形量，5號(hào)截面為-3.4 mm，7號(hào)截面為-0.6 mm，10號(hào)截面為-2.0 mm。與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，5號(hào)截面的變形量為-4.4 mm，絕對(duì)誤差為1 mm，相對(duì)誤差為22.7%；7號(hào)截面的變形量為-0.7 mm，絕對(duì)誤差為0.1 mm，相對(duì)誤差為14.3%；10號(hào)截面的變形量為-2.6 mm，絕對(duì)誤差為0.6 mm，相對(duì)誤差為23.1%?？梢钥闯?，模擬結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差約為20%，可以較好的反映變形趨勢(shì)，對(duì)于此類超長(zhǎng)超大構(gòu)件的變形預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)，精度已能滿足要求。

表1 焊接前后車頂寬度的橫向變形量(mm)

圖7 變形測(cè)量各截面示意圖

4 結(jié)論

(1)建立了總長(zhǎng)超過(guò)20 m的超長(zhǎng)軌道車體焊接固有應(yīng)變模型，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)不銹鋼車體的焊接過(guò)程模擬仿真，預(yù)測(cè)了車頂構(gòu)件的整體變形。并且，實(shí)現(xiàn)了自由變形階段、焊前裝夾后階段、焊后裝夾釋放前階段、焊后裝夾釋放后階段的變形測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在焊后裝夾釋放前階段和焊后裝夾釋放后階段產(chǎn)生了較大的變形。

(2)通過(guò)三維光柵式測(cè)量?jī)x對(duì)超長(zhǎng)車體變形進(jìn)行實(shí)測(cè)。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，車頂構(gòu)件特征截面位置的橫向變形變化不大，最大變形量?jī)H為4.4 mm。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較，其誤差約20%。

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