基于SYSWELD的CRH₂-300鋁合金車體緩沖梁和牽引梁焊接數(shù)值模擬

張勇軍，陳 鵬，何金光，徐紫薇，姬生星

(西南交通大學，四川 成都 610031)

0 前言

在CRH2－300鋁合金車體中，緩沖梁和牽引梁是列車底架的主要構成部分，在列車高速運行中，緩沖梁和牽引梁工作情況較為復雜，對焊接質(zhì)量要求較高。而在緩沖梁和牽引梁的焊接中，由于其焊縫較多，且長度較大，殘余應力的分布較為復雜。故研究分析其焊接應力殘余應力大小分布規(guī)律及影響因素，以減少焊接殘余應力的產(chǎn)生，對鋁合金車體的安全運行意義重大［1］。本研究采用殘余應力數(shù)值模擬的方法對緩沖梁和牽引梁連接部位進行模擬計算，既可以了解緩沖梁和牽引梁連接部位焊縫的殘余應力分布，還能比較不同的工藝，具有較大的經(jīng)濟性［2］。

1 試驗方法

在計算動車組車體鋁合金焊接構件殘余應力過程中，選用法國ESI公司開發(fā)的熱加工專業(yè)計算軟件SYSWELD。焊接殘余應力模擬計算主要分兩階段進行實施:一是建立計算所需的材料數(shù)據(jù)庫;二是根據(jù)圖紙建立相應的有限元模型進行計算分析，得出典型接頭的殘余應力分布規(guī)律［3］。同時對不同焊接工藝、不同焊接順序進行了模擬計算，得到這些條件下緩沖梁和牽引梁焊接接頭的殘余應力大小、分布規(guī)律，為生產(chǎn)過程中控制焊接殘余應力提供依據(jù)和幫助。

1.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

緩沖梁和牽引梁的連接焊縫共有14條，構件長度共有3 m，均采用MIG焊進行焊接。因結構高度對稱，故計算中取一半結構進行計算。焊縫位置的網(wǎng)格控制在約2 mm，網(wǎng)格單元共有227 614個。其網(wǎng)格劃分如圖1所示。溫度場分析和應力場分析使用相同的節(jié)點和單元，模型采用軸對稱單元。

圖1 緩沖梁與牽引梁計算模型

1.2 材料數(shù)據(jù)庫的建立

緩沖梁和牽引梁材料均為A7N01，其化學成分如表1所示。

表1 A7N01的化學成分Tab.1 Chemical composition of A7N01 %

為了能準確模擬焊接過程和焊接結束后的焊縫甚至整個結構的變形和應力狀況，就需要建立材料在各個溫度下的性能數(shù)據(jù)庫。在本研究中建立材料數(shù)據(jù)庫過程中所需的參數(shù)，常溫下的參數(shù)用實驗測得，而高溫的材料性能則通過JMatPro 4.1軟件計算和查詢材料手冊獲得。

運用JMatPro 4.1軟件計算和查找相關的材料手冊和文獻得到的的鋁合金材料性能參數(shù)如圖2～圖5所示。

圖2 A7N01的比熱容Fig.2 Specific heat of A7N01

1.3 熱源和約束

SYSWELD提供三種熱源:2D高斯表面熱源適用于表面熱處理;雙橢球熱源適用于常規(guī)弧焊，如TIG、MIG、SAW等;3D高斯圓錐形熱源適用于高能束流焊接，如激光焊、電子束焊等。本研究采用雙橢球熱源模型模擬電弧焊。

圖3 A7N01的密度Fig.3 The density of A7N01

圖4 A7N01的導熱率Fig.4 Thermal conductivity of A7N01

由于所計算的焊接為MIG焊，為更好地體現(xiàn)實際情況，在進行焊接接頭計算時采用雙橢球熱源模型。實踐證明雙橢球熱源模型用于模擬MIG、TIG等焊接，能獲得較高的精度。熱源模型的數(shù)學表達式［4］如下

進行應力分析場計算時，模擬實際情況在遠離焊縫部位端部限制其三個方向移動，保證模型不產(chǎn)生剛性移動。

圖5 A7N01不同溫度下的屈服應力Fig.5 A7N01 yield stress under different temperature

1.4 焊接接頭應力計算及試驗比對

在對鋁合金車體的焊接接頭和結構進行應力計算分析前，進行了驗證試驗。取對接接頭進行焊接殘余應力模擬計算，并用小孔法測試試驗中的接頭。對接接頭是由兩塊尺寸300 mm×110 mm×8 mm構成，材料均為A6N01S－T5，均采用MIG焊，焊接電流為270 A，焊接電壓為27 V，焊接速度為520 mm/min。對接接頭開V型坡口，兩層焊滿，在模擬過程中施加兩次熱源來模擬兩層焊。計算過程采用雙橢球熱源對模型加熱，在施加熱源之前調(diào)態(tài)熱源的高斯參數(shù)。計算的模型和縱向應力分布云圖如圖6、圖7所示。計算結果和實測結果如表2、圖8所示。

圖6 對接計算模型Fig.6 Calculation model for docking

圖7 對接接頭縱向應力分布Fig.7 Butt joint the longitudinal stress distribution

表2 對接接頭殘余應力測試和計算結果Tab.2 Residual stress in butt joint test and calculation results

圖8 對接接頭計算結果和實驗比較Fig.8 The comparison of butt joint calculation results and experiment

由圖可知，計算結果與試驗測試結果在殘余應力的分布趨勢是相似的，即在焊縫上存在殘余拉應力，隨著離焊縫距離的增加，殘余拉應力逐漸減小，最后轉變?yōu)闅堄嗬瓚Α煞N方法的殘余應力大小有所區(qū)別，小孔法雖然測試的深度可以達到2 mm［5］，計算結果取出的數(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軟件計算焊接殘余應力分布是可靠的。

2 結果和分析

緩沖梁和牽引梁的連接焊縫共有14條，計算中取一半結構進行計算，所有焊縫均采用相同焊接工藝和參數(shù)。為了定義方便，對焊縫進行編號，如圖9所示。

圖9 對接接頭計算結果和實驗比較Fig.9 The serial number of the weld

由于本次模擬的對象工件，實際殘余應力并未測試，廠方僅要求通過焊接模擬測試各種焊接工藝下的焊接殘余應力和變形以指導實際焊接，以下是在模擬過程中所考慮的不同焊接工藝及其結果分析。

2.1 不同焊接順序下的殘余應力模擬

對于多條焊縫的構件，焊縫順序?qū)嫾臍堄鄳χ捣植加幸欢ǖ挠绊憽榱藢ふ易罴训暮附禹樞颍謩e模擬了如下三種不同的焊接順序:

(1)1→2→3→4→5→6→7。

(2)3→4→1→2→5→6→7。

(3)6→7→1→2→3→4→5。

在緩沖梁和牽引梁的連接焊縫在工作狀態(tài)中，焊縫6和焊縫7是主要受力焊縫，因此著重關注這兩條焊縫的應力分布狀態(tài)，表3和圖10縱向應力對應的取點均來自焊縫6。三種不同的焊接順序、焊接工藝相同的條件下產(chǎn)生的縱向殘余應力值和應力變化曲線如表3和圖10所示。

表3 不同順序下的縱向應力Tab.3 Longitudinal stress under different order

圖10 縱向應力變化曲線Fig.10 Longitudinal stress change curve

由圖10可知，不同的焊接順序下，所取點的應力分布趨勢一致，縱向殘余應力均隨著離焊縫中心距離的逐漸增大而變小，應力狀態(tài)由拉應力變?yōu)閴簯Γ詈筅呌谄骄彙５谌N焊接順序下，所取點對應的殘余應力值最小，相對前兩種焊接順序殘余應力值降低了25 MPa，分析其殘余應力降低的原因主要是由于先焊接第6、7條焊縫，隨后的焊接過程會對焊縫6、7起到一個焊后熱處理的作用，因此導致殘余應力的降低。

2.2 不同線能量下的殘余應力模擬

根據(jù)現(xiàn)場焊接情況，模擬緩沖梁和牽引梁的焊接，具體工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)

分別在三種線能量輸入的情況下進行仿真模擬計算，模擬結果如圖11所示。

圖11 線能量為2.67 kJ/cm下的縱向焊接殘余應力分布云圖

計算結果如圖12、圖13所示。在緩沖梁和牽引梁的焊接中，當輸入不同線能量時，焊接殘余應力分布規(guī)律相同，數(shù)值上有所差別;焊接線能量增大，緩沖梁和牽引梁的連接焊縫的最大焊接殘余應力也隨之增大，母材的殘余應力變化不大。

圖12 不同熱輸入下的最大縱向焊接殘余應力

圖13 不同熱輸入下的縱向焊接殘余應力

在該構件的模擬中，由于采用的是全約束，限制了構件的自由度，隨著焊接線能量的增加，焊縫區(qū)產(chǎn)生的應力值也會隨之增大，而該應力得不到釋放，因此最后殘留在焊縫區(qū)的應力值會隨著線能量的增大而增大。

3 結論

通過SYSWELD軟件對CRH2－300鋁合金車體緩沖梁和牽引梁焊連接部位接接頭及結構進行數(shù)值模擬，分析緩沖梁和牽引梁連接部位焊縫的焊接殘余應力分布，并討論不同焊接順序及焊接線能量下結構中殘余應力的變化，得出如下結論:

(1)通過比較鋁合金對接接頭的模擬計算和實驗測試結果，證明利用JMatPro4.1軟件計算的材料性能參數(shù)和SYSWELD軟件對焊接應力場進行計算的方法都是合理可信的。

(2)通過對高速列車緩沖梁和牽引梁連接部位進行焊接模擬計算，獲得了構件焊接殘余應力的分布規(guī)律。計算結果顯示:計算的焊縫最大縱向殘余拉應力出現(xiàn)在焊縫及近縫區(qū)，數(shù)值為材料屈服的60%～80%。

(3)對于有多條焊縫的結構，后焊的焊縫對先前焊完的焊縫有熱處理作用，使之焊接殘余應力降低，最小殘余拉應力峰值出現(xiàn)在最先焊接的焊縫及近縫區(qū)，所有焊縫及近縫區(qū)焊接殘余應力分布規(guī)律相同。

(4)在不同焊接工藝的情況下，隨著線能量增大，焊縫和近縫區(qū)的焊接殘余應力有所減小，但應力數(shù)值變化不大;焊接殘余應力高拉應力區(qū)范圍增大;焊縫及近縫區(qū)焊接殘余應力分布規(guī)律基本相同。

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［1］ 方洪淵.焊接結構學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 陳 楚.數(shù)值分析在焊接中的應用［M］.上海:上海交通大學出版社，1985.

［3］ 華 鵬，孫俊生.有限元軟件SYSWELD在焊接數(shù)值模擬中的作用［J］.山東機械，2005(1):2 －5.

［4］ 董克權.雙橢球熱源模型加載算法研究［J］.機械設計與制造，2008(11):60－62.

［5］ 陳會麗，鐘 毅，王華昆，等.殘余應力測試方法的研究［J］.云南冶金，2005，34(3):52 －54.