不銹鋼客車焊點(diǎn)強(qiáng)度快速評估系統(tǒng)開發(fā)

孫新禮，許晶晶，謝素明，李婭娜

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028：2.中車株洲電力機(jī)車有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心,湖南 株洲 412000)

不銹鋼地鐵車輛是由大量具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件組成的，在焊接時(shí)，焊縫區(qū)域產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散失，易造成車體的焊接變形[1].因點(diǎn)焊技術(shù)能夠明顯減少焊接變形，所以現(xiàn)如今通常使用點(diǎn)焊作為車體連接形式，但因其技術(shù)工藝復(fù)雜，造價(jià)太高，所以如何從設(shè)計(jì)階段對焊點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度評估對不銹鋼車體設(shè)計(jì)具有重要意義.

目前針對焊點(diǎn)強(qiáng)度的研究主要基于數(shù)值模擬，布局優(yōu)化等方面[2-6]，但在焊點(diǎn)強(qiáng)度快速評估方面研究較少.程亞軍等人基于標(biāo)準(zhǔn)和點(diǎn)焊接頭的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對車體焊點(diǎn)進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評估[7].王鵬等人使用TCL對Hypermesh進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對載荷步和載荷工況的自動(dòng)化施加[8].趙文平等人使用TCL開發(fā)了焊點(diǎn)靜強(qiáng)度的快速評估及結(jié)果的可視化展示[9].但這些研究沒有從整體上對分析全過程進(jìn)行點(diǎn)焊強(qiáng)度的快速評估功性能的開發(fā)，只在某一方面進(jìn)行了詳細(xì)研究.鑒于此,本文通過MATLAB集成HYPERMESH與ANSYS，通過二次開發(fā)搭建了焊點(diǎn)快速評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)材料屬性的快速賦予以及剪切力的快速提取及強(qiáng)度評估，并能將結(jié)果以多種形式輸出，通過腳本封裝，顯著地減少了焊點(diǎn)評估的操作難度，節(jié)省了時(shí)間，也增加了可視性.

1 焊點(diǎn)模擬及強(qiáng)度評估方法

1.1 空間梁單元

圖1所示為一空間梁單元，單元兩端每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度三個(gè)平動(dòng)(u,v,w)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(θx,θy,θz)，梁單元兩端分別受到三個(gè)力Pu，Pv，Pw，(沿軸線方向的軸向力和其它兩個(gè)方向的剪力)及三個(gè)力矩Mx，My，Mz(繞軸線的扭矩和其它兩個(gè)方向的彎矩)作用[10]，其在局部坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)位移列陣qe以及節(jié)點(diǎn)力矩陣Fe如式(1)和式(2)所示.

圖1 空間梁單元及其自由度圖

qe=[u1ν1w1θx1θy1θz1u2ν2w2θx2θy2θz2]

(1)

Fe=[Pu1Pv1Pw1Mx1My1Mz1Pu2Pv2Pz2Mx2My2Mz2]

(2)

1.2 ANSYS中的空間梁單元

點(diǎn)焊車體的有限元模型中一般采用Beam188梁單元模擬焊點(diǎn)連接，圖2為整體坐標(biāo)系下的beam188單元以及其內(nèi)部局部坐標(biāo)系的定義.單元的x軸方向與整體坐標(biāo)系無關(guān)，ANSYS中定義其為i節(jié)點(diǎn)指向j節(jié)點(diǎn)，對于兩節(jié)點(diǎn)的情況，默認(rèn)的y軸方向按平行x-y平面自動(dòng)計(jì)算，第三個(gè)節(jié)點(diǎn)(K)將和i、j節(jié)點(diǎn)一起定義包含單元x軸和z軸的平面.

圖2 Beam188 單元示意圖

對于Beam188梁單元，當(dāng)采用默認(rèn)的KEYOPT(3)=0則采用線性的形函數(shù)，這樣在ANSYS中Beam188單元提供i和j兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的六個(gè)節(jié)點(diǎn)力及彎矩，具體儲存形式如表1所示.

表1 Beam188 單元各項(xiàng)參數(shù)儲存形式

經(jīng)對比i，j兩節(jié)點(diǎn)所提取出的三個(gè)節(jié)點(diǎn)力相同，故提取i節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)剪切力SFy,SFz進(jìn)行后續(xù)焊點(diǎn)強(qiáng)度的評估分析.

1.3 焊點(diǎn)強(qiáng)度評估方法

(1)靜強(qiáng)度評估

工程上不銹鋼點(diǎn)焊車焊點(diǎn)靜強(qiáng)度評估一般采用英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN15085-3:2007和美國AWS C1.1M/ C1.1-2012中焊點(diǎn)的最小剪切力與金屬板的強(qiáng)度、板厚及焊核直徑的關(guān)系，來評價(jià)焊點(diǎn)的靜強(qiáng)度[7].

首先根據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，按照靜強(qiáng)度載荷工況，進(jìn)行整體有限元分析計(jì)算，從得到的結(jié)果文件中提取各個(gè)工況下焊點(diǎn)模擬梁單元軸向的兩個(gè)剪切力SFy和SFz，并計(jì)算出合成剪切拉力S合.合成剪切拉力可由式(3)計(jì)算而得：

(3)

再依據(jù)BSEN 15085-3-2007標(biāo)準(zhǔn)或AWS C1.1M/ C1.1-2012所提供的電阻點(diǎn)焊鋼接頭的最低剪切拉力表，按照不同金屬強(qiáng)度、不同板厚和焊核直徑所對應(yīng)的最低剪切拉力進(jìn)行對比評價(jià).

(2)疲勞強(qiáng)度評估

目前點(diǎn)焊疲勞評估方法很多，有載荷-壽命法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法、公稱應(yīng)力公式法、剪切應(yīng)力法、應(yīng)力強(qiáng)度因子法等[11].

工程上進(jìn)行不銹鋼點(diǎn)焊車焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評估時(shí)，通常用疲勞工況下焊點(diǎn)的剪切力變化范圍與疲勞許用門檻值(來自工廠提供的疲勞數(shù)據(jù))來評價(jià)焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度[7].

首先根據(jù)EN12663-2010標(biāo)準(zhǔn)，按照焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度載荷工況，進(jìn)行整體有限元分析計(jì)算，然后按照1.2節(jié)方法提取并計(jì)算焊點(diǎn)梁單元上的剪切拉力，并與給出的焊點(diǎn)疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算得到的合成剪切拉力也必須小于疲勞數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中對應(yīng)的最低剪切拉力，才能滿足設(shè)計(jì)要求.

2 焊點(diǎn)強(qiáng)度快速評估系統(tǒng)的功能

2.1 系統(tǒng)功能介紹

該系統(tǒng)依托MATLAB平臺，與HYPERMESH，ANSYS以及ACCESS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互.主要實(shí)現(xiàn)三方面功能：前處理階段能夠通過對HYPERMESH的二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)組別命名的規(guī)范化和物理屬性的快速定義功能，方便之后的焊點(diǎn)力提取和評估；求解階段通過APDL腳本能夠?qū)崿F(xiàn)后臺求解和對結(jié)果文件中焊點(diǎn)剪切力的快速提取、計(jì)算以及其排序功能；后處理階段具有批量化評估和快速查詢，以及多樣化、可視化的結(jié)果輸出的功能.主要功能如圖3所示.

2.2 主要功能開發(fā)

(1)材料和組別的快速定義功能

該功能主要使用TCL/TK語言中的create進(jìn)行界面的建立以及創(chuàng)建模型樹，variable進(jìn)行定義屬性類別，set用于賦值.通過上述命令組合建造的界面可以規(guī)范化的命名組別及材料，也可以高效地進(jìn)行材料屬性定義.具體流程見圖4.

圖3 平臺功能示意圖

圖4 前處理流程圖

圖5 求解流程圖

(2)焊點(diǎn)力快速提取功能

該功能通過腳本定義，在系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)ANSYS后臺求解，直接訪問結(jié)果文件提取焊點(diǎn)力更加方便高效.只需使用APDL語言中cmsel命令和etab命令提前定義需要提取剪切力的焊點(diǎn)組別名稱，用get命令來提取單元號以及對應(yīng)剪切力的大小，并通過do循環(huán)計(jì)算合成剪切力，再依據(jù)大小進(jìn)行排序，最后通過cfopen命令來進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)出.具體流程如圖5所示.

(3)焊點(diǎn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫建立功能

為了方便查詢和評估，基于ACCESS開發(fā)了焊點(diǎn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫并將其通過數(shù)據(jù)接口鏈入焊點(diǎn)強(qiáng)度快速評估系統(tǒng)中，可直接調(diào)用.但由于板材厚度和焊核直徑的不確定性，有時(shí)會出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法判斷的情況，借由此開發(fā)了插值系統(tǒng)，使得點(diǎn)焊評價(jià)分析更加方便快捷.

圖6 后處理流程圖

(4)焊點(diǎn)強(qiáng)度快速分析計(jì)算功能

該功能主要依靠MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及生成結(jié)果可視化和多樣化的優(yōu)點(diǎn).依靠數(shù)據(jù)處理進(jìn)行快速分析保留不合格單元，確定最大焊點(diǎn)力位置，并通過柱狀圖清晰地將不合格焊點(diǎn)力的大小顯示出來，待所有焊點(diǎn)分析結(jié)束后，將柱狀圖和Excel格式的結(jié)果導(dǎo)出并可以顯示不合格焊點(diǎn)位置，具體流程圖如圖6所示.

2.3 核心技能

該系統(tǒng)的核心技能在于如何通過MATLAB來將所有軟件串聯(lián)起來，來減少在多個(gè)軟件間頻繁的操作.

借助MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口，可以直接通過uigetfile命令打開結(jié)果文件以及模型文件，system命令后臺操作ANSYS腳本直接提取焊點(diǎn)力.uiputfile輸出所需要的柱狀圖以及文本文檔.通過上述命令基本上可以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)強(qiáng)度評估的流程，操作簡單，便捷.其具體形式見圖7所示.

圖7 核心技術(shù)功能框圖

3 應(yīng)用案例

以某一焊點(diǎn)不銹鋼點(diǎn)焊車頭車為例，進(jìn)行焊點(diǎn)強(qiáng)度的快速評估.

3.1 分析模型

該不銹鋼點(diǎn)焊車由車頂、側(cè)墻、底架和端墻，司機(jī)室5部分組成，材料為S301L系列不銹鋼，車體上的板梁部件主要采用殼單元shell181模擬，焊點(diǎn)通過梁單元beam188模擬，車載設(shè)備采用質(zhì)量單元mass21形式施加，并通過剛性元連接到相應(yīng)位置.

在系統(tǒng)中使用開發(fā)好的界面進(jìn)行焊點(diǎn)組別的規(guī)范命名及屬性快速賦予，材料屬性的快速定義.具體操作界面見圖8.

離散后的單元總數(shù)為2 752 415個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 050 531個(gè)，其中模擬焊點(diǎn)的梁單元有41 902個(gè)，有限元模型如圖9所示.

圖8 屬性及材料快速賦予界面

圖9 車體有限元模型

3.2 評估過程

(1)靜強(qiáng)度評估

選取最危險(xiǎn)工況(車鉤中心線縱向壓縮1 200 kN與車輛最大超員垂向載荷組合)進(jìn)行分析，以側(cè)墻蒙皮與橫梁相連的焊點(diǎn)組為例，該焊點(diǎn)組所連接的板厚為1.5 mm+2 mm，板材材料為SUS301L-DLT，其屈服強(qiáng)度為345 MPa..

根據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS EN15085-3:2007進(jìn)行焊點(diǎn)靜強(qiáng)度評價(jià)，如表2所示，評價(jià)時(shí)選取1.5 mm板厚，焊核直徑6.0 mm， 抗拉強(qiáng)度在≤360范圍的剪切力7.1 kN進(jìn)行評估，評估結(jié)果界面如圖10所示.

表2 靜強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)

圖10 強(qiáng)度評估界面

考慮到不同板厚條件，如果板厚為1.3 mm，未在表2中找到，可以利用插值系統(tǒng)進(jìn)行插值，如圖11所示，得到最低剪切拉力為6.14 kN，可進(jìn)行相應(yīng)的焊點(diǎn)評估.

圖11 插值系統(tǒng)

(2)疲勞強(qiáng)度評估

選取車體垂向彎曲疲勞工況(±0.15g*AW2)質(zhì)量載荷進(jìn)行分析，選擇底架橫梁與波紋板連接的焊點(diǎn)組，板厚組成為3 mm+0.6 mm.將模型導(dǎo)入快速評估系統(tǒng)，疲勞評估數(shù)據(jù)參照工廠給定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如圖9所示.

3.3 評估結(jié)果

(1)靜強(qiáng)度評估結(jié)果

經(jīng)過系統(tǒng)評估后可以得到不合格焊點(diǎn)的具體的數(shù)據(jù)(圖12(a))、柱狀圖(圖12(a))及不合格焊點(diǎn)位置(圖12(b)).不合格位置在一位端第二扇門側(cè)墻蒙皮與橫梁連接處.

(a)Excel結(jié)果及圖表輸出

(b)不合格焊點(diǎn)位置顯示圖12 靜強(qiáng)度計(jì)算評估結(jié)果

(2)疲勞強(qiáng)度評估結(jié)果

經(jīng)過系統(tǒng)評估后可以得到不合格焊點(diǎn)的具體的數(shù)據(jù)(圖13(a))、柱狀圖(圖13(a))及不合格焊點(diǎn)具體位置(圖13(b)，不合格位置在一位端牽引梁與枕梁上蓋板連接處，以及一位端底架橫梁與波紋板連接處.

(a)Excel結(jié)果及圖表輸出

(b)不合格焊點(diǎn)位置顯示圖13 疲勞強(qiáng)度計(jì)算評估結(jié)果

3.4 快速評估系統(tǒng)與傳統(tǒng)評估方法對比

以此不銹鋼點(diǎn)焊車為例，使用快速評估系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法進(jìn)行焊點(diǎn)評估的對比，可以得出各主要功能的耗時(shí)情況，具體數(shù)據(jù)見表3所示.

表3 快速評估系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法對比

從表3中可以看出，傳統(tǒng)方法的前處理階段的焊點(diǎn)屬性和命名，焊點(diǎn)剪切力的提取和排序以及焊點(diǎn)強(qiáng)度的評估花費(fèi)了共計(jì)4.5 h,而采用快速評估系統(tǒng)后只需花費(fèi)70 min,節(jié)省了大約75%.而且該系統(tǒng)還具備傳統(tǒng)方法所沒有的結(jié)果輸出及位置顯示功能，由此證明了該系統(tǒng)的便捷和高效性.

4 結(jié)論

(1)通過MATLAB建立的系統(tǒng)將ANSYS，HYPERMESH，ACCESS等軟件串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)了從模型中焊點(diǎn)的分組、規(guī)范化命名，到求解提取焊點(diǎn)力，再到焊點(diǎn)強(qiáng)度評定的自動(dòng)化和一體化；

(2)通過實(shí)例計(jì)算，以某不銹鋼點(diǎn)焊車為例使用焊點(diǎn)快速評估系統(tǒng)分別對其焊點(diǎn)進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度評估，并將結(jié)果以三種形式展示出來；

(3)對比使用快速評估系統(tǒng)和傳統(tǒng)方法進(jìn)行點(diǎn)焊強(qiáng)度評估，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算與評估時(shí)間大大減少，并且可以給出傳統(tǒng)方法無法自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)表格、柱狀圖以及不合格位置；

(4)從評估系統(tǒng)得出的不合格結(jié)果可以為后續(xù)焊點(diǎn)優(yōu)化分析提供理論基礎(chǔ).