基于固有應(yīng)變法的轉(zhuǎn)向架橫梁焊接變形模擬

梁 勇，陳 鵬，徐紫薇，朱忠尹

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

基于固有應(yīng)變法的轉(zhuǎn)向架橫梁焊接變形模擬

梁 勇，陳 鵬，徐紫薇，朱忠尹

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

本研究使用固有應(yīng)變法，在SYSWELD中對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁在3種不同焊接順序方案下的變形進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬得到不同順序方案下各方向上的變形，并分析橫梁腹板端部的變形和彎曲。結(jié)果表明，使用固有應(yīng)變法能夠?qū)Υ笮蜆?gòu)件進(jìn)行焊接模擬；不同順序下的焊接變形趨勢(shì)一致，但在不同位置上不同方向的變形不相同；優(yōu)化焊接順序，可以減小變形和彎曲。

SYSWELD；固有應(yīng)變；焊接順序；變形

0 前言

在焊接過(guò)程中，由于不均勻的溫度場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致焊接變形，給產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用帶來(lái)問(wèn)題。若僅依靠實(shí)驗(yàn)或理論分析的方法，在對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行研究時(shí)，會(huì)造成時(shí)間消耗長(zhǎng)，成本投入大等問(wèn)題。這種情況下，引入焊接數(shù)值模擬方法研究焊接變形，可以大大降低研究的成本投入，在大型構(gòu)件殘余應(yīng)力和變形的研究中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)和重要意義[1]。

在小型構(gòu)件焊接模擬中，一般采用熱彈塑性理論。然而，在大型構(gòu)件的模擬中，由于有限元模型單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)多，導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大，甚至計(jì)算不收斂。針對(duì)這種情況，本研究采用固有應(yīng)變法對(duì)轉(zhuǎn)向架橫梁焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬，即將瞬態(tài)熱彈塑性分析轉(zhuǎn)化為靜態(tài)純彈性力學(xué)問(wèn)題，可以大大地減少數(shù)值模擬的時(shí)間，并且其結(jié)果具有一定的精確性[2]。

1 固有應(yīng)變法

固有應(yīng)變由日本學(xué)者上田幸雄等提出，包括塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變，可以看作焊接應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生的根本原因[3]，其表達(dá)式為

式中 εP為塑性應(yīng)變；εT為熱應(yīng)變；εX為相變應(yīng)變。

在焊接過(guò)程中，熱應(yīng)變會(huì)隨著焊接過(guò)程完成后溫度的降低而消失。所以，焊接完成后的固有應(yīng)變值為ε*=εP+εX，即塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變之和[4]。其中，影響焊接變形的主要因素是橫向固有應(yīng)變和縱向固有應(yīng)變，單位長(zhǎng)度上的橫向和縱向固有應(yīng)變的總和分別是Wx和Wy，計(jì)算公式為

式中 K和ξ都是比例系數(shù)，和板厚h、偏心距e有關(guān)[5]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，計(jì)算得到K=8.6×10-7cm3/J，ξ= 2.8×10-6cm3/J。

2 模型建立

轉(zhuǎn)向架橫梁主要由上蓋板、下蓋板、4塊內(nèi)外腹板、4塊立板、6塊筋板、2塊加強(qiáng)彎板焊接而成，如圖1所示。本研究使用Visual-Mesh劃分網(wǎng)格，為了獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果且提高計(jì)算效率，對(duì)焊縫處單元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，大小約2 mm，放大遠(yuǎn)離焊縫部位單元，大小約20 mm，得到單元208 439個(gè)，節(jié)點(diǎn)314 804個(gè)，再導(dǎo)入SYSWELD中進(jìn)行計(jì)算。在橫梁端部所取的4個(gè)節(jié)點(diǎn)并施加約束，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)向架橫梁構(gòu)成示意

圖2 橫梁網(wǎng)格模型

3 焊接順序?qū)M梁變形的數(shù)值模擬

在焊接過(guò)程中，焊接順序不同對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的拘束力不同，導(dǎo)致產(chǎn)生的焊接變形不同。橫梁焊縫總共80余條，在此選取對(duì)橫梁變形影響較大的32條長(zhǎng)直焊縫進(jìn)行研究，分別設(shè)計(jì)了3種不同的焊接順序方案進(jìn)行模擬，其他焊縫焊接順序不變。焊接順序按焊縫編號(hào)由小到大進(jìn)行，順序方案1和2的焊接順序分別如圖3和圖4所示，方案3是將方案1中編號(hào)為41，42，43，44的焊縫放到編號(hào)為64焊縫之后焊接。

圖3 方案1的焊接順序

在三種不同的焊接順序下進(jìn)行焊接模擬計(jì)算，得到的均向焊接變形云圖如圖5所示。

由變形云圖可知，不同順序均向變形分布差別很小，都在橫梁邊緣變形較大。同時(shí)，可由X、Y和Z向變形云圖得知，三種方案下焊接變形趨勢(shì)一致，X方向最大變形位于橫梁邊緣區(qū)域；Y方向最大變形位于立板中心區(qū)域；Z方向最大變形位于內(nèi)腹板端頭。

圖4 方案2的焊接順序

通過(guò)提取4個(gè)節(jié)點(diǎn)各方向上的變形，比較得知X向變形相對(duì)于Y向和Z向較小，且位于橫梁邊緣的非裝配位置，可忽略不計(jì)。在此把對(duì)后續(xù)裝配影響較大的Y向和Z向變形作為研究重點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)1和4的Y向變形之和與節(jié)點(diǎn)2和3的Y向變形之和取平均值，得到橫梁在Y向收縮變形；節(jié)點(diǎn)1和2的Z向變形之和與節(jié)點(diǎn)3和4的Z向變形之和取平均值，得到橫梁在Z向收縮變形；節(jié)點(diǎn)1和2的均向變形值取平均值，得到橫梁Y向彎曲變形；節(jié)點(diǎn)1和4的均向變形值取平均值，得到橫梁Z向彎曲變形。3種方案下的變形量如表1所示。

由表1可知，焊接順序?qū)M梁變形影響較明顯，焊接順序引起變形波動(dòng)最大為Z向彎曲，變化率為16.21%。順序3的Y、Z向收縮變形和彎曲最大，順序1的焊接Y、Z向收縮變形和彎曲最小。綜合考慮，順序1最為合理。

圖5 橫梁均向焊接變形云圖

表1 不同焊接順序下的焊接變形

4 結(jié)論

（1）采用固有應(yīng)變法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行焊接模擬。

（2）均向和X向變形較大的區(qū)域主要分布在橫梁邊緣；Y向最大變形位于立板中心區(qū)域；Z向最大變形位于內(nèi)腹板端頭。

（3）轉(zhuǎn)向架橫梁焊接變形主要在Y向和Z向。

（4）焊接順序1產(chǎn)生的收縮變形和彎曲最小。

[1] 蔡志鵬.大型結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬的研究與應(yīng)用[D].北京：清華大學(xué)，2001.

[2] 董航海，劉建華，杜漢斌，等.焊接應(yīng)力應(yīng)變與變形的數(shù)值研究進(jìn)展[J].電焊機(jī)，2003，33（9）：15-17.

[3]Ueda Y，Kim Y C，Yuan M G.A prediction method of welding residual stress using source of residual stress（Report I）-Characte-ristics of inherent strain（source of residual stress）[J].J Trans.Of JWRI，1989，18（1）：135-141.

[4] 汪建華，陸?zhàn)?焊接殘余應(yīng)力形成機(jī)制與消除原理若干問(wèn)題的討論[J].焊接學(xué)報(bào)，2002（3）：75-79.

[5] 李婭娜.焊接變形預(yù)測(cè)與控制的數(shù)值方法研究及工程應(yīng)用[D].大連：大連交通大學(xué)，2010.

Numerical simulation of welding deformation of bogie beam based on inherent strain method

LIANG Yong，CHEN Peng，XU Ziwei，ZHU Zhongyin
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In this paper，the deformation of the bogie beam under three different welding sequences are simulated by using the inherent strain method in SYSWELD.After the simulation,the deformations in all directions in different sequences are got，and the deformation and bend at the end of the beam web are analyzed.The results show that the welding stimulation can be performed on the large components by using inherent strain method；the tendency of welding deformation in different sequences is consistent，but in different locations，the deformations in different directions are not the same；Welding sequence can be optimized to reduce the deformation and the bend.

SYSWELD；the inherent strain；welding sequence；deformation

TG404

：A

：1001-2303（2015）10-0120-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.26

2015-03-25

梁 勇（1990—），男，四川瀘州人，在讀碩士，主要從事焊接結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬研究。