秦礼+胡文浩+马玉国

摘要：采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元网格模型。基于SYSWELD平台，设计了两种约束方案，对动车组转向架构架侧梁进行了焊接过程仿真分析。分析结果表明：两种方案最大残余应力差别不大；方案1比方案2最大变形降低51.88%；X方向最大变形降低39.95%；Y方向最大变形降低60.05%；Z方向最大变形降低77.10%。

关键词：动车组；转向架侧梁；焊接残余应力；变形影响；有限元网络模型 文献标识码：A

中图分类号：TG404 文章编号：1009-2374（2017）06-0008-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.004

动车组转向架由驱动和制动装置、减震装置和定位装置四部分组成，转向架上几乎所有的部件都安装在构架上。在高速运行的情况下，构架的整体具有较大的纵向加速度，侧梁同时还受到垂向载荷和横向载荷，比横梁承受的外部载荷更大，所处工作环境更恶劣，因此侧梁的质量对构架的质量起着至关重要的作用。构架侧梁采用箱型焊接结构，其生产质量对构架的性能和安全性有重要的影响。为提高构架的装配质量，需要在焊接生产过程中严格控制侧梁的焊接变形。

本文针对焊接量较大的构架侧梁的焊接过程，采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元网格模型。基于SYSWELD平台，充分考虑焊接过程中热-机械-冶金耦合，基于热弹塑性理论，同时考虑计算效率问题，使用热循环曲线实现热加载，设计了内腔焊接的两种工装装卡方案，实现了不同工装情况下的焊接变形和残余应力计算，并对相应的结果进行了分析。

1 构架侧梁焊接仿真的技术路线

1.1 有限元网格模型的建立

有限元法是适应使用计算机技术而发展起来的一种有效的数值方法。在焊接领域，有限元法已经广泛地用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等的研究。

针对构架侧梁焊接过程的仿真，首先要对侧梁的几何模型进行离散化，将侧梁几何模型简化为由有限个单元组成的离散化模型，接着对离散化模型进行数值求解。考虑到焊接过程中各种物理现象的复杂性以及侧梁结构的复杂性，在建立网格模型时必须考虑到计算效率问题。由于焊接是局部加热的过程，焊缝和附近区域温度梯度较大，应力分布变化明显，所以对该区域的网格进行细分，采用较小的网格尺寸，兼顾到计算效率问题，远离焊缝区域采用较大的网格尺寸。侧梁网格模型如图1所示，一共154257个8节点实体单元。

1.2 材料模型的建立

材料热物理属性在焊接过程中呈现出非线性变化，其数值准确性对模拟结果的精度有很大的影响。本仿真模拟考虑到的动态热物理性能参数有弹性形模量、比热容、屈服强度、热导率，如图2所示，真实应力-应变曲线如图3所示。设定泊松比为0.33，密度20℃为7.815e-6kg/mm3，1500℃为7.29e-6kg/mm3，热应变20℃为0，1200℃为0.0195，1300℃为0.0208。

1.3 焊缝填充过程建模

在进行有限元模型建模时，焊缝区和构件整体是一起建模的。然而在实际的焊接过程中，填充的焊材是伴随着焊接热源向前移动而得到的，这样焊缝区的材料实际上是分为三种状态的：已焊、正在焊和未焊焊缝。在焊接的仿真中，焊接材料的填充普遍使用的是生死单元法，焊接热源未到焊缝时将焊缝材料热传导矩阵乘以一个很小的因子，热载荷、密度和比热容设为零，即将单元“杀死”，当热源移动到焊缝时通过编写函数重新激活它，使单元的比热容、热传导和密度等恢复到原始状态。采用此种方法在单元激活时，弹性模量的突然变化会导致计算的热震荡，热震荡会影响到自动时间步长和坐标系统的移动。此外，采用生死单元法，需要对构件上的每条焊缝分别设置不同的单元激活控制函数，适用性受到一定限制。

本文中焊缝的填充过程采用Chewing Gum Method，该方法为在材料模型中加入Chewing Gum相，该相弹性模量与热导率设置为一极小的固定值，热膨胀系数为零，并通过相变模型控制其属性在该相的温度超过母材熔点很小的一个温度范围内迅速转化成熔化母材的属性，转化过程如图4所示。该方法解决了生死单元法热震荡的问题，而且操作简单，适用于大型构件的焊接仿真。

1.4 热源的选取

在众多的热源模型中，一维的Rosenthal热源模型（瞬时的点、线、面热源）、高斯圆形面热源以及双椭球热源模型对焊接仿真的发展起到了很大的推动作用。这三种经典的热源模型无论哪一种，用于大型构件多层多道焊很难同时保证仿真的效率以及精度。本课题采用热循环曲线，将热循环曲线作为边界条件加载到焊缝区域，通过对焊缝分段的方法模拟焊接方向，采用此种方法与传统的移动热源相比省去了位移场的解算，减少了大量的计算量，提高了仿真的效率，同时保证了一定的精度。

2 侧梁内腔焊接过程的仿真

2.1 内腔工装方案的确定

针对侧梁内腔焊接，设计了两种工装方案，两种方案约束位置及约束方向如图5及表1所示。两种方案均为在下盖板四个角完全固定，方案1在下盖板上增加了限制下盖板立弯的约束，分别在两块立板两端增加了限制侧弯的约束。侧梁的焊接顺序见图6。

2.2 内腔仿真结果与分析

2.2.1 内腔焊接仿真结果云图。内腔焊接完成并冷却释放后，方案1与方案2的Von Mises应力云如图7和图8所示，最大应力分别为451.179MPa和464.807MPa，增加限制一个方向变形的约束对Von Mises应力的最大值影响不大。

内腔焊接完成并冷却释放后，方案1与方案2的整体变形云图如图9和图10所示，两种方案的最大变形均位于外侧立板两端，最大变形量分别为1.17mm和2.43mm。方案1的最大变形比方案2减小了51.88%。

内腔焊接完成并冷却释放后，方案1与方案2的X方向的变形云图如图11和图12所示，最大變形均位于外侧立板两端。方案1外侧立板两端相对位置增加了1.404mm，方案2外侧立板两端相对位置增加了2.135mm。

内腔焊接完成并冷却释放后，方案1与方案2的Y方向的变形云图如图13和图14所示。两种方案的立板均向下弯曲，最大变形位置位于外侧立板两端，最大变形量分别为0.99mm和2.028mm。

内腔焊接完成并冷却释放后，方案1与方案2的Z方向的变形云图如图15和图16所示。方案1 Z方向变形较小，方案2内侧立板向外弯曲，外侧立板向内弯曲，最大变形位于内侧立板两端，变形量为1.319mm。

3 结语

本课题基于热弹塑性有限元方法，在给定焊接顺序的基础上，通过焊接工装装卡位置优化、预设反变形等，实现侧梁内腔与外部焊缝焊接的变形预测和控制。

（1）两种方案最大应力分别为451.179MPa和464.807MPa，增加限制一个方向变形的约束对Von Mises应力的最大值影响不大；（2）方案1比方案2最大变形降低51.88%，X方向最大变形降低39.95%，Y方向最大变形降低60.05%，Z方向最大变形降低77.10%。方案1整体变形量明显比方案2减小；（3）综合焊接残余应力和焊接变形的影响，方案1与方案2焊接应力相差不大，但是焊接变形明显低于方案2，因此采用多点约束的方案1是更适用于实际的侧梁工装压卡方案。

参考文献

[1] 苏杭，常荣辉，倪家强.基于SYSWELD的焊接模拟仿真[J].大连交通大学学报，2013，（2）.

[2] 徐琳，余昌莲，周旭春，等.焊接变形预测的研究进展[J].机械工程师，2006，（2）.

作者简介：秦礼（1965-），男，中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心高级工程师，研究方向：轨道车辆转向架技术管理；胡文浩（1982-），男，中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心高级工程师，硕士，研究方向：轨道车辆转向架工艺技术；马玉国（1966-），女（满族），中车唐山机车车辆有限公司转向架技术中心工程师，研究方向：轨道车辆转向架技术管理。

（责任编辑：黄银芳）