基于SYSWELD中載荷約束對(duì)高速列車(chē)車(chē)體焊縫殘余應(yīng)力的影響

徐紫薇，陳 鵬，許 浩，朱忠尹，何金光

（西南交通大學(xué) 焊接實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 前言

隨著高速列車(chē)的發(fā)展，鋁合金車(chē)體成為實(shí)現(xiàn)高速車(chē)體輕量化的理想材料。這是因?yàn)殇X合金材料具有良好的力學(xué)性能和物理特性，即密度低、比強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、反射率高、電導(dǎo)率高、比模量、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕能力強(qiáng)，同時(shí)還具有良好的成形工藝性和焊接性，易加工成形及美觀(guān)耐用等[1]。由于高速車(chē)體采用的是熱導(dǎo)系數(shù)高且膨脹系數(shù)大的中空鋁合金型材，加之高速車(chē)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，鋁合金車(chē)體的殘余應(yīng)力非常復(fù)雜。焊接殘余應(yīng)力及變形既影響高速車(chē)體制造的尺寸精度、尺寸穩(wěn)定性，還會(huì)與焊接缺陷、接頭幾何不連續(xù)、冶金非均勻等因素交互作用，影響焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、抗脆斷能力、耐腐蝕性能等，降低高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，縮短其服役壽命。所以，研究高速車(chē)體焊接殘余應(yīng)力對(duì)指導(dǎo)高速車(chē)體的實(shí)際生產(chǎn)具有重大的意義。本研究采用大型有限元軟件SYSWELD，對(duì)高速列車(chē)底架邊梁與側(cè)墻連接處焊縫進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)模擬不同載荷下的殘余應(yīng)力來(lái)優(yōu)化焊接工藝。

1 材料參數(shù)

在SYSWELD軟件中，充分考慮到了在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)變和相變應(yīng)變，而熱應(yīng)變和相變應(yīng)變產(chǎn)生的同時(shí)，會(huì)引起彈性或塑性應(yīng)力場(chǎng)和與之相關(guān)的變形。這樣彈塑性本構(gòu)關(guān)系表示為[2]

式中 [Dep]為彈塑性剛度矩陣；[Cth]為熱剛度矩陣；[M]為溫度形函數(shù)；{ΔT}為溫度變化量；dσ為應(yīng)力增量；dε為應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，在采用SYSWELD進(jìn)行焊接熱彈塑性有限元模擬時(shí)需要考慮到材料的非線(xiàn)性，即考慮到材料特性與溫度之間的相關(guān)性。

鋁合金高速列車(chē)的側(cè)墻和底架結(jié)構(gòu)使用的材料為鋁合金A6N01S-T5，A6N01S-T5的固相線(xiàn)溫度和液相線(xiàn)溫度分別為611℃和660℃。其主要化學(xué)成分如表1所示，在不同溫度下的物理參數(shù)如表2 所示[3-4]。

表1 A6N01S-T5的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of A6N01S-T5%

表2 A6N01S-T5在各溫度下的材料性能參數(shù)Tab.2 Material properties of A6N01-T5 under different temperature

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在進(jìn)行焊接模擬前，使用SYSWELD計(jì)算對(duì)接試件焊接接頭的應(yīng)力場(chǎng)，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性。對(duì)接試件是由兩塊500 mm×110 mm×8 mm的材料構(gòu)成，材料均為鋁合金A6N01S-T5，采用的焊接工藝為：焊接電流270 A，焊接電壓25 V，焊接速度520 mm/min，有效熱輸入412 J/mm，對(duì)接接頭開(kāi)V型坡口。計(jì)算過(guò)程采用雙橢球熱源對(duì)模型加熱，在施加熱源之前調(diào)整熱源的高斯參數(shù)。計(jì)算出來(lái)的縱向應(yīng)力分布云圖如圖1所示。

圖1 對(duì)接試件的縱向應(yīng)力分布云圖Fig.1 Vertical stress cloud distribution of the butt-welded

從云圖中可以看出，焊接后的縱向應(yīng)力分布為：在焊縫位置存在拉應(yīng)力，壓應(yīng)力分布在焊縫邊上較遠(yuǎn)的位置。計(jì)算出來(lái)的縱向應(yīng)力分布規(guī)律與焊接理論相一致。在穩(wěn)定區(qū)選取焊縫及焊縫邊緣區(qū)域的節(jié)點(diǎn)讀數(shù)，記錄計(jì)算數(shù)據(jù)，將其與小孔法測(cè)試殘余應(yīng)力[3]得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示?？梢钥闯?，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果在殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)是相同的，在數(shù)值大小上有一點(diǎn)偏差，原因是小孔法雖然測(cè)試的深度可以達(dá)2 mm，但是計(jì)算結(jié)果取出數(shù)據(jù)位置的厚度大于2 mm，因此在數(shù)值上有所偏差，但是這種偏差在工程上是允許的，所以采用SYSWELD軟件計(jì)算焊接殘余應(yīng)力分布是可靠的。

圖2 實(shí)際測(cè)試與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of simulation result and test result

3 有限元模型

整個(gè)模型由高速列車(chē)底架邊梁與側(cè)墻局部構(gòu)成，這個(gè)模型采用實(shí)體單元，模型總長(zhǎng)223 mm，總高度76 mm，模型中有兩條焊縫，分別分布在上、下兩個(gè)面上。在數(shù)值模擬時(shí)，考慮計(jì)算精度和計(jì)算量等因素，有限元模型模擬中焊縫及近焊縫區(qū)域采取1 mm的網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域?yàn)?0～12 mm的網(wǎng)格，模型單元共33200個(gè)，節(jié)點(diǎn)共39360個(gè)。在焊接過(guò)程中，焊縫邊上材料對(duì)焊縫位置的壓應(yīng)力，隨著離焊縫距離的增大而逐漸減小。對(duì)于大型結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)硬件條件下，要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接模擬十分困難。若在大結(jié)構(gòu)上截取局部結(jié)構(gòu)建立模型進(jìn)行模擬，將大大減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，如圖3所示。但在截取部位采用什么樣的約束使之與原結(jié)構(gòu)力學(xué)等效則非常復(fù)雜，本研究采取在截取部位施加不同載荷來(lái)模擬不同的約束狀態(tài)，模擬計(jì)算焊接接頭焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，從而反映出不同約束條件下焊接殘余應(yīng)力的變化。本研究從整體結(jié)構(gòu)中選取底架邊梁與側(cè)墻連接的部分建模，在截?cái)嗟慕孛嫔鲜┘右粋€(gè)拉伸載荷，模擬截掉部分對(duì)焊縫的約束，如圖4所示。

圖3 局部模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of local model

圖4 局部模型邊界約束Fig.4 Boundary constraints of local model

4 數(shù)值模擬和分析

軟件模擬四種不同載荷下的等效應(yīng)力情況，如圖5～圖8所示。

圖5 無(wú)載荷時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.5 No load conditions of stress cloud

圖6 載荷為15 MPa時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.6 15MPa of load conditions of stress cloud

圖7 載荷為50 MPa時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.7 50 MPa of load conditions of stress cloud

考慮各個(gè)載荷情況下的縱向應(yīng)力，距離焊縫中心不同位置的各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同情況下的縱向應(yīng)力如表3所示。

圖8 載荷為100 MPa時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.8 100MPa of load conditions of stress cloud

表3 不同載荷下的縱向應(yīng)力分布Tab.3 Vertical stress distribution under different loads

計(jì)算過(guò)程中，在一端截取面上施加一定數(shù)值的拉伸應(yīng)力，在另一端施加約束，施加的拉伸應(yīng)力值為0～100 MPa。不同載荷下的計(jì)算結(jié)果如表3所示，在外載荷為0 MPa（自由狀態(tài)）時(shí)，計(jì)算出的殘余縱向應(yīng)力值是最小的。這是由于在這種情況下，計(jì)算的殘余應(yīng)力完全由焊接不均勻加熱產(chǎn)生，不受外載荷影響，而且模型較小，焊縫周?chē)木惺容^小。在相同載荷條件下，縱向應(yīng)力呈現(xiàn)先減小再增加最后減小的趨勢(shì)。在距離焊縫10 mm時(shí)，不同載荷下縱向應(yīng)力到達(dá)最大值，而且隨著載荷的增加，縱向應(yīng)力增加，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，縱向應(yīng)力反而減小。當(dāng)距離焊縫中心（14～19 mm）時(shí)，縱向應(yīng)力隨著載荷增大呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即隨著載荷的增加，縱向應(yīng)力增加。當(dāng)距離焊縫中心19 mm時(shí)，縱向應(yīng)力均達(dá)到最小值。當(dāng)外載荷較小時(shí)，構(gòu)件中的縱向應(yīng)力值隨著外載荷的增加而增加，當(dāng)外載荷達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，構(gòu)件中的縱向應(yīng)力變化較小，如果這時(shí)外載荷繼續(xù)增加，則縱向拉應(yīng)力值出現(xiàn)下降，下降后的值不會(huì)低于自由狀態(tài)的應(yīng)力值。不同的載荷約束，其焊接接頭殘余應(yīng)力分布基本相同。

5 結(jié)論

采用有限元軟件SYSWELD對(duì)底架邊梁和側(cè)墻連接處進(jìn)行焊接模擬，通過(guò)分析應(yīng)力得到以下結(jié)論：

（1）在不同載荷下，自由狀態(tài)時(shí)的縱向應(yīng)力值最小。

（2）隨著載荷的增加，焊接接頭中縱向殘余應(yīng)力增大。

（3）當(dāng)載荷增加到一定的數(shù)值時(shí)，縱向拉應(yīng)力值出現(xiàn)小幅度下降，下降后的值高于自由狀態(tài)的應(yīng)力值。

[1]鄭卜祥，閆志鴻.鋁合金結(jié)構(gòu)件焊接變形數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院.

[2]徐芝綸.彈性力學(xué)[M].北京：高等教育出版，1990.

[3]Handbook of Al Alloys[M].America.

[4]周萬(wàn)盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.