徐紫薇，吉 超，陈 鹏，朱忠尹，张勇军，何金光

（1.成都工贸职业技术学院，四川 成都 611731；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都610031）

Y25型转向架侧梁焊接变形热弹塑性有限元分析

徐紫薇1，吉 超2，陈 鹏2，朱忠尹2，张勇军2，何金光2

（1.成都工贸职业技术学院，四川 成都 611731；2.西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都610031）

针对低合金结构钢材料的特点，采用热循环曲线法对Y25型转向架侧梁的焊接变形进行仿真计算，该方法不考虑相变的影响，研究装夹部位对焊接变形的影响。结果表明：约束位置对焊接变形的影响较大，不同约束位置下的平均角变形变化高达63.47%；在能进行正常施工的条件下，采用优化的夹持位置能有效地减小焊接变形量。因此，在制定焊接工艺时应把夹具约束的位置作为重点影响因素考虑。

转向架；热弹塑性；有限元

0 前言

随着社会现代化的发展，人们对制造水平提出了更高的要求，依靠经验判断己经不能满足生产制造的要求。随着计算机的快速发展，采用计算机对焊接变形进行数值模拟已经逐渐成为预测焊接变形的重要手段之一。随着计算机模拟技术的发展，许多研究人员在计算机模拟技术的研发和应用上做了大量的工作，采用计算机模拟技术预测焊接变形来解决焊接实际生产中的问题，既降低了焊接生产投入，又节约了大量的人力、物力。但是，由于计算机数值模拟技术本身存在的一些缺陷以及发展中的制造业对计算机数值模拟结果提出了越来越高的要求，在大型焊接结构件上的计算机模拟技术研究较少。

1 热弹塑性分析的假定

为了准确模拟焊接的热应力应变过程，通常在数值分析时将多种非线性计算简化成材料的瞬态非线性计算。焊接过程中的热弹塑性分析主要有如下假设[1]：

（1）材料屈服行为服从Von-Mises屈服准则。

（2）存在于塑性区的材料服从强化准则和塑性流动准则。

（3）塑性与弹性应变随温度变化而变化。

（4）在很短时间内力学特性、应力应变关系与温度呈线性关系。

2 材料参数

Q345化学成分如表1所示，物理性能参数如图1所示。

表1 Q345化学成分%

图1 Q345的物理性能参数

在焊接过程的有限元数值模拟中，一般设定焊接热源的温度为材料熔点即可，焊缝处温度不能太高，否则会对模拟结果产生一定影响，降低模拟精度。

3 有限元模型

该构件焊接工艺为：电流250～300A，电压26.5～ 28.5 V；采用CO2气体保护焊，流量20L/min。该构件由4条焊缝连接而成，每条焊缝由4道焊焊接而成，采用左右交替焊接。

该转向架侧梁由上盖板、下盖板、腹板和4块肋板构成，腹板板厚16 mm，上盖板和下盖板板厚12 mm，长约3 000 mm，侧梁模型如图2所示。

图2 Y25型转向架侧梁

采用SYSWELD软件自带的划分网格工具对该构架侧梁进行网格划分，划分完成的网格模型如图3所示。本次划分网格采用实体网格划分技术，共有137 994个实体单元。划分网格时采用了渐变网格，即重点分析的焊缝区域采用尺寸较小的网格，距离焊缝远的区域采用尺寸较大的网格，网格尺寸随距离逐渐增加，以确保数值分析的精度和效率。

图3 转向架网格模型

4 数值模拟及分析

在整个模拟焊接变形的过程中，夹持的主要目的是保证焊接过程顺利完成[2]，夹持位置的不同对焊接变形的影响是研究的主要问题。采取3种不同的约束方法对焊接变形进行数值模拟分析，经模拟分析定量得出了3种约束方法的变形量。

3种不同的约束部位如图4～图6所示。

3种约束方式分别为中部、两端、肋板至两端中部，3种方法约束数量相同，且均采用4对约束对上盖板和下盖板进行约束。

约束1的最终变形云图如图7所示。

分析3种不同约束方式下的焊接变形量发现，在约束释放之后，不同约束方式下的变形趋势基本一致[3]，但侧梁最后形成的变形量是不相同的。

图4 约束方式1

图5 约束方式2

图7 约束1的最终变形云图

x、z方向上的变形量均比y方向上的小，都在1mm内。侧梁最终的变形主要表现为角变形，而角变形量最大的区域集中在上盖板和下盖板的两个端部，在肋板及夹持处基本无角变形[4]。这是因为侧梁中的腹板使得弯曲变形的变形刚度增加，而整体的弯曲变形并不明显。x方向上的最大变形量主要位于上盖板的中部，两肋板的中间部位，而下板该部位的变形量小于0.1 mm。z方向上的最大变形部位主要在上盖板中部。因此角变形需要着重关注。本研究数值模拟结果与侧梁实际焊接时所产生的变形结果一致。侧梁实际焊接后，焊接变形主要呈现为上、下盖板向内侧翘曲[5]。3种不同约束方式下的变形量如表2所示。

表2 不同焊接方向下的焊接变形

由表2可知，采用相同的焊接夹具，约束位置不同时产生的角变形量相差较大，平均角变形变化达到了63.47%。优化焊接约束部位可以有效改善焊接变形量，综合对比分析上述3种约束方式，约束方式2为3种方式中的最佳约束，与之相对应的夹持位置为两端夹持；约束方式1为3种方式中的最差约束，与之对应的夹持位置为上盖板和下盖板中间部位夹持。

5 结论

（1）不同约束方式下的焊接变形量相差较大，平均角变形变化高达63.47%。

（2）在满足正常焊接的情况下，优化焊接夹具的夹持位置能有效地减小焊接变形量。

（3）在制定焊接工艺时，把夹具的约束位置作为焊接变形的因素重点考虑。

[1] 大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析[J].焊接学报，2008，29（4）：69-72.

[2] 王世斌.浅谈大型钢结构的焊接变形控制[J].中国水运，2008，8（11）：178-179.

[3]WANGJianhua，LUhao.Predictionofweldingdeformations byFEMbased oninherent strains[J].Journal of Shanghai Jiao tong University（in ENGLISH），2000，5（2）：83-87.

[4]Y25型转向架焊接构架制造工艺[J].机车车辆工艺，2012，10（5）：18-20.

[5] 张炜.轨道客车转向架构架侧梁的焊接数值模拟[D].吉林：吉林大学，2013.

Welding deformation analysis on the side beam of Y25 type bogie by thermal elastic-plastic finite element method

XU Ziwei1，JI Chao2，CHEN Peng2，ZHU Zhongyin2，ZHANG Yongjun2，HE Jinguang2
（1.Chengdu Industry and Trade College，Chengdu 611731，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Based on the characteristics of low alloy structural steel materials，this paper uses the thermal cycle curve method without considering phase change to make a simulation of welding deformation of multipass welding on the side beam of Y25type bogie，and studies the welding deformation data under different constraint location.There sultsshow that：first，the welding deformations differ greatly under different correlation parameter，and the percentage of the average angular deformation under different correlation parameter reaches to63.47%；second，under the condition of ensuring the normal construction，optimizing the correlation parameter of the welding jig can reduce the welding deformation effectively；third，the position of the jig constraints shouldbe firstly considered in the establishment of welding procedure.

bogie；thermal elastic-plasticity；finite element

TG457.2

A

1001－2303（2017）08－0146-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.31

本文参考文献引用格式：徐紫薇，吉超，陈鹏，等.Y25型转向架侧梁焊接变形热弹塑性有限元分析[J].电焊机，2017，47（08）：146-148.

2017-05-10

徐紫薇（1989—），女，在读硕士，主要从事焊接数值模拟的研究工作。E-mail：377769327@qq.com。