B型地鐵不同結(jié)構(gòu)隔板側(cè)梁內(nèi)外立板與下蓋板焊縫殘余應(yīng)力仿真分析

盧峰華，段澤斌，姜 斌，劉 陽，于云海

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

目前城市軌道交通列車主要是A型地鐵與B型地鐵，就列車質(zhì)量而言，兩種車型沒有任何區(qū)別，但是從造價(jià)角度考慮，B型地鐵比A型地鐵減少近50%。因此，B型地鐵是國(guó)內(nèi)主流的地鐵機(jī)車車型[1-2]。

B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁是由S355鋼板焊接而成的空心箱型梁結(jié)構(gòu)，如圖1所示，為中部下凹魚腹形梁。側(cè)梁主要由上、下蓋板、內(nèi)、外立板、內(nèi)部隔板和導(dǎo)柱組成。目前，B型地鐵構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)部隔板采用帶孔的結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)EN15085-3中7.3.7和EN15085-2中3.1.1相關(guān)要求，避免了側(cè)梁底板和內(nèi)、外立板內(nèi)部長(zhǎng)焊縫與隔板焊接角焊縫的交叉。而高速動(dòng)車組CRH380采用不帶孔的方形隔板，即長(zhǎng)焊縫和隔板角焊縫存在交叉，此種結(jié)構(gòu)不符合EN15085標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，但便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益[3]。

本研究采用Sysweld軟件對(duì)內(nèi)外立板與下蓋板焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真模擬[4-5]，研究B型地鐵構(gòu)架側(cè)梁隔板不同結(jié)構(gòu)（有孔、無孔）的，內(nèi)、外立板與下蓋板焊縫殘余應(yīng)力情況，通過對(duì)比分析，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議，為提高工藝穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)B型地鐵構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)部機(jī)械焊接提供依據(jù)。

圖1 B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁

1 不同結(jié)構(gòu)隔板側(cè)梁模型

1.1 側(cè)梁三維幾何模型

有孔隔板結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。在每個(gè)隔板上開2個(gè)1/4圓孔，可避免側(cè)梁底板和內(nèi)、外立板之間長(zhǎng)焊縫與隔板角焊縫的交叉，從焊接結(jié)構(gòu)學(xué)的角度考慮，能夠減少應(yīng)力集中，釋放部分焊接殘余應(yīng)力。無孔隔板結(jié)構(gòu)形式是仿照高速動(dòng)車組CRH380轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁設(shè)計(jì)的。下蓋板、內(nèi)、外立板與隔板兩兩垂直，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

圖2 B型地鐵側(cè)梁有孔與無孔結(jié)構(gòu)幾何模型

1.2 不同結(jié)構(gòu)隔板側(cè)梁網(wǎng)格模型

將有孔、無孔兩種隔板結(jié)構(gòu)側(cè)梁模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立側(cè)梁內(nèi)部焊縫的有限元網(wǎng)格模型。

為使得兩種形式的側(cè)梁焊接應(yīng)力分析結(jié)果的精度一致，劃分有孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型單元總數(shù)103329，節(jié)點(diǎn)總數(shù)138 477，如圖3a所示；無孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型單元總數(shù)105 883，節(jié)點(diǎn)總數(shù)139 261，如圖3b所示。

圖3 側(cè)梁有孔和無孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

2 仿真模擬條件及理論分析

2.1 約束條件

設(shè)置約束條件是為了保持構(gòu)架結(jié)構(gòu)的靜定。通過分析現(xiàn)有B型地鐵側(cè)梁焊接變位機(jī)裝夾工裝（見圖4），得到裝夾定位點(diǎn)處的各方向約束情況，完全按照焊接工裝上的位置施加相應(yīng)方向的約束，盡可能與實(shí)際工裝約束一致[6]。

圖4 構(gòu)架側(cè)梁實(shí)際工裝約束

2.2 焊接順序

合理的焊接順序有利于降低焊接應(yīng)力和變形[7]。以無孔結(jié)構(gòu)為例，焊接順序規(guī)定如圖5所示。確定B型地鐵構(gòu)架側(cè)梁的焊接順序同時(shí)對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，便于描述每條焊縫引起的焊接殘余應(yīng)力。

圖5 焊縫順序示意

2.3 殘余應(yīng)力和變形的分析理論

焊接過程通常會(huì)經(jīng)歷加熱、冷卻兩個(gè)階段。在焊接時(shí)焊縫上存在固相區(qū)、液相區(qū)和固液相共存區(qū)3個(gè)區(qū)域。一般固液相共存區(qū)存在時(shí)間很短，通常不作考慮。而固相區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變遵從熱—彈塑性理論。

2.3.1 材料屈服判定

Sysweld有限元分析采用米塞斯（Von Mises）屈服準(zhǔn)則。通過材料拉伸試驗(yàn)確定臨界點(diǎn)，形狀變化達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，材料開始屈服。

在三維主應(yīng)力空間，Von Mises屈服準(zhǔn)則表示為

式中 σ1、σ2、σ3分別為3個(gè)正交方向的主應(yīng)力（單位：MPa）；σs為單向拉伸時(shí)的屈服極限（單位：MPa）。

2.3.2 熔融狀態(tài)的流動(dòng)判定

處于屈服狀態(tài)的材料在加載條件下會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)。流動(dòng)準(zhǔn)則記述了產(chǎn)生屈服時(shí)塑性應(yīng)變的方向。塑性應(yīng)變?cè)隽亢蛻?yīng)力狀態(tài)流動(dòng)準(zhǔn)則如下

該準(zhǔn)則可以解釋為塑性應(yīng)變?cè)隽肯蛄康姆较蚺c屈服曲面的法向相同，故又稱作法向流動(dòng)準(zhǔn)則。進(jìn)而對(duì)焊縫進(jìn)行理論推導(dǎo)，為熱力學(xué)加載提供可靠依據(jù)。

3 仿真模擬結(jié)果與分析

3.1 不同結(jié)構(gòu)隔板側(cè)梁仿真模擬

兩種結(jié)構(gòu)整體Von-Mises殘余應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。其中，有孔結(jié)構(gòu)側(cè)梁殘余應(yīng)力最大值為453.025 MPa，位于內(nèi)立板母材處；無孔結(jié)構(gòu)側(cè)梁殘余應(yīng)力最大值為449.984 MPa，位于內(nèi)立板母材處。二者峰值相差不大，且結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)出對(duì)稱性。

圖6 有孔結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力云圖

3.2 兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)、外立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫殘余應(yīng)力對(duì)比分析

B型地鐵側(cè)梁各部件說明如圖8所示。由于整體結(jié)構(gòu)焊縫不僅是直線焊縫，因此利用數(shù)學(xué)上無限分割、化曲為直的方法將曲線部分等分進(jìn)行計(jì)算。

兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)立板及外立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫內(nèi)立板上焊趾處殘余應(yīng)力曲線如圖9、圖10所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)弧階段的殘余應(yīng)力數(shù)值整體趨于穩(wěn)定，變化幅度不大。

圖7 無孔結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力云圖

由圖9、圖10可知，兩種結(jié)構(gòu)位于導(dǎo)柱與隔板12之間的長(zhǎng)焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值差異不大，差值在50 MPa以內(nèi)，圖中縱虛線位于起弧、收弧階段，由于有孔結(jié)構(gòu)能夠避免三交叉焊縫從而釋放掉部分殘余應(yīng)力，導(dǎo)致有孔結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力比無孔結(jié)構(gòu)降低30%～50%；考慮到焊接順序影響，兩種結(jié)構(gòu)位于隔板1與導(dǎo)柱之間的長(zhǎng)焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值此消彼長(zhǎng)、交替變化，殘余應(yīng)力差值最大達(dá)150 MPa，由于有孔結(jié)構(gòu)能夠避免三交叉焊縫而釋放掉部分殘余應(yīng)力，導(dǎo)致有孔結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與無孔結(jié)構(gòu)大小相當(dāng)。

圖8 B型地鐵側(cè)梁零部件說明

兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)立板及外立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫焊根處殘余應(yīng)力曲線如圖11、圖12所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩種結(jié)構(gòu)位于導(dǎo)柱與隔板12之間的長(zhǎng)焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值趨于一致，殘余應(yīng)力差值在30MPa以內(nèi)，差值小于內(nèi)、外立板上焊趾處殘余應(yīng)力；考慮到焊接順序影響，兩種結(jié)構(gòu)位于隔板1與導(dǎo)柱之間的長(zhǎng)焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值此消彼長(zhǎng)、交替變化，變化規(guī)律與上述內(nèi)、外立板上焊趾殘余應(yīng)力分布相似，兩種結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力差值最大達(dá)180 MPa，圖中縱虛線位于起弧、收弧階段，有孔結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與無孔結(jié)構(gòu)大小相當(dāng)。

圖9 內(nèi)立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫內(nèi)立板上焊趾殘余應(yīng)力

圖10 外立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫外立板上焊趾殘余應(yīng)力

圖11 內(nèi)立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫焊根殘余應(yīng)力

圖12 外立板與下蓋板長(zhǎng)焊縫焊根殘余應(yīng)力

4 結(jié)論

通過對(duì)B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)部焊縫進(jìn)行仿真模擬，得出有孔、無孔兩種不同隔板結(jié)構(gòu)形式下焊接殘余應(yīng)力的分布情況，比較得出結(jié)論：

（1）建立了B型地鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析模型，基于Sysweld軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了大結(jié)構(gòu)多焊縫部件的焊接模擬。

（2）有孔結(jié)構(gòu)使得隔板與下蓋板，內(nèi)、外立板之間產(chǎn)生間隙，形成自由邊界，一般當(dāng)內(nèi)應(yīng)力方向垂直于材料邊界時(shí)，則在該邊界處與邊界垂直的應(yīng)力值必然為零。因此，該方向殘余應(yīng)力值0 MPa使得整體等效Von-Mises應(yīng)力降低。

（3）有孔結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)EN15085相關(guān)要求，無孔結(jié)構(gòu)不符合EN15085相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但仿真分析得出結(jié)論：無孔結(jié)構(gòu)可以代替有孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，提高工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。