機車車輛轉向架構架側梁的焊接變形有限元分析

孫 莉 ，張 騰 ，劉晨曦

（1.天津電力機車有限公司 天津 300452；2.核工業(yè)西南物理研究院 四川成都 610041；3.天津大學材料科學與工程學院 天津 300350）

0 引 言

近年來，各國學者相繼提出了多種模擬方法用于對大型結構的焊接變形進行模擬，目前主流的方法主要有熱彈塑性有限元法和固有應變法等［1-3］。熱彈塑性有限元法基于焊接過程熱結構耦合模擬，是焊接數(shù)值模擬最準確的方法，其主要包括2個相互耦合的過程：同時進行焊接熱分析及熱源輸入導致的熱應力分析；同時得到焊接加熱、冷卻過程中每一時刻的溫度場分布及焊接變形和應力結果。由于其計算量非常大，對計算機及收斂算法的要求非常高，一般難以用于復雜結構的焊接變形［4-6］。固有應變法則能夠快速得到大型結構的焊接變形，其原理是直接將焊接熱輸入導致的近縫區(qū)的收縮以應變的方式施加于近焊縫區(qū)，并經(jīng)過一次結構分析得到整個大型結構的焊接殘余應力及變形。

機車車輛轉向架結構非常復雜，由多條焊縫連接而成。焊接過程中的局部熱輸入導致了焊接殘余應力和焊接變形的產(chǎn)生，為保證轉向架服役的安全性，同時為了在焊接過程中順利進行構架組裝，在轉向架側梁焊接完畢后需要進行矯正以控制焊接變形。但是由于轉向架整體結構復雜，矯形前后需分別安裝和拆除制動單元、電機拉桿等臨時附件，從而浪費大量的人力物力。因此，如何降低焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形成為構架鋼結構焊接組裝中急需解決的問題之一。

針對轉向架構架的大型結構焊模擬，如采用熱彈塑性有限元法，即使基于性能先進的服務器，其計算時間也耗時數(shù)月，并對計算機、程序人員及算法均非常不友好；而采用固有應變法模擬轉向架大型構件的焊接過程盡管可以簡單快速地確定變形趨勢結果，然而固有應變法對于大型結構焊接過程的仿真存在一定的局限。因此，本文提出了一種快速且相對準確的大型結構焊接變形預測方法，并基于實測數(shù)據(jù)對比，證明其對大型結構、復雜焊縫的焊接變形預測具備一定的工程實用性。

1 側梁的焊接工藝過程及工裝

1.1 焊接工藝簡介

轉向架側梁的焊接組裝工藝流程為：①側梁內(nèi)筋組裝；②內(nèi)筋機械手焊接；③側梁扣合；④側梁定位臂組裝；⑤側梁外體機械手焊接；⑥側梁外體焊修；⑦側梁定位臂焊修。

基于對稱焊接減少焊接變形的原理，筋板的焊接順序為先中部后兩頭的原則。每組筋板焊接的具體順序是先筋板與下板的連接，然后是腹板和底板的連接，最后從上至下依次對筋板與左右腹板進行連接，其焊接順序如圖1所示。

圖1 側梁焊接變形和焊接順序示意圖Fig.1 Diagram of welding deformation and welding sequence of side beam

定位臂焊接時，根部組裝預留余量2 mm（136+2 mm），上端組裝余量4 mm（136+4 mm），作為定位臂根部焊接后收縮的反變形，見圖2。

圖2 定位臂的組裝Fig.2 Fitting of positioning arm to side beam

外腹板焊接時，拘束條件和焊接順序如圖3所示。具體焊接順序為先焊上蓋板、再焊下蓋板，兩端和中間的焊接順序如圖3中箭頭所示。

圖3 外腹板焊接順序示意圖Fig.3 Schematic diagram of welding sequence of cover plate

1.2 焊接工裝夾具及焊接順序

如圖4所示，焊接過程中變形的側梁以下蓋板為基準，側梁兩端的收縮、下沉和定位臂焊接根部和外端的變形。

圖4 大型構件焊接數(shù)值模擬方案示意圖Fig.4 Simulation scheme for welding of large components

2 側梁的焊接變形模擬

2.1 焊接變形模擬原理

①針對整體結構的焊接結構進行分析，并提取其中的典型接頭類型。

②計算結構中所有接頭的焊接變形和殘余應力分布。

③對整體構件上特定焊縫采用分段導入該部位局部接頭的相應變形數(shù)據(jù)，以模擬在整體構件拘束下的焊接方向和焊接變形分布。

④對整體構件上其他焊縫采用相同的局部焊接變形加載模擬，并通過不同焊縫/焊道加載順序控制，以實現(xiàn)不同焊接順序下的變形分布變化。

2.2 側梁典型接頭的焊接變形模擬

如圖5所示，對焊接接頭的焊接變形進行熱彈塑性有限元模擬，隨后將收縮應變提取出來作為輸入施加于大型結構的近焊區(qū)。

圖5 局部網(wǎng)格的焊接變形Fig.5 Simulation result of T joint welding deformation

為了降低計算量，本文使用實體單元和殼單元相結合的方法對轉向架側梁進行網(wǎng)格劃分，整體網(wǎng)格尺寸 10 mm，局部網(wǎng)格尺寸 2 mm。通過自由度耦合的方式將 6 自由度的殼單元和 3 自由度的實體單元耦合起來，以便于將典型接頭提取出來的固有應變按照實際的焊接順序施加于整體結構上，得到如圖6所示的網(wǎng)格模型。

圖6 側梁網(wǎng)格Fig.6 Mesh of side beam

3 轉向架側梁的焊接變形模擬結果

由圖7可知，側梁焊后，兩頭的筒體同時向下、向內(nèi)收縮變形，側量的中間向上、向里收縮變形。

圖7 總體變形Fig.7 Simulation result of welding deformation

由圖8 ~ 10可知，測量焊后的橫向收縮（X方向）和縱向收縮（Y方向變形）值分別為3.99 mm、1.7 mm。即側梁底板兩端向里收縮量為3.99 mm，向下變形量為1.7 mm。

圖8 X方向變形Fig.8 Simulation result of welding deformation in X direction

圖9 Y方向變形Fig.9 Simulation result of welding deformation in Y direction

圖10 Z方向變形Fig.10 Simulation result of welding deformation in Z direction

實測得到的側梁的焊接變形結果與預測結果如表1所示。由表1可知，采用本方法得到的仿真結果和實測結果變形趨勢基本一致，且變形數(shù)值吻合度達到80%，證明本文方法能用于大型結構的焊接變形預測。

4 結 論

本文提出了一種新的固有應變法的計算方法，并應用新方法對大型轉向架側梁的焊接變形進行了計算，通過與試驗數(shù)據(jù)的比對，證明該方法可以快速準確地預測機車轉向架構架這種大型鋼結構的焊接變形趨勢及變形量?！?/p>