特種車體大型結構件焊接的三維有限元分析及工藝優化

陳　泳，馮和永，李　巍，王　成，張寶東，劉興成

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.中國人民解放軍駐618廠軍事代表室，北京 100072)

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特種車體大型結構件焊接的三維有限元分析及工藝優化

陳泳1，馮和永1，李巍1，王成2，張寶東1，劉興成1

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.中國人民解放軍駐618廠軍事代表室，北京 100072)

摘要：應用WELD-PLANNER有限元分析軟件對特種車體大型結構件焊接過程進行數值模擬仿真分析，設計了多種焊接順序的焊接工藝，分析了不同的焊接順序對大型結構件的焊接變形影響，從而選擇了合理的焊接順序，優化了焊接工藝，減少了焊接變形，提高了大型結構件的精度。該方法對于工程應用具有一定指導意義。

關鍵詞：特種車體大型結構件；有限元分析；焊接順序；焊接變形；工藝優化

特種車體大型結構件主要起支承頂板材及上裝的作用，大型結構件由3塊板材拼焊而成，其特點是板材薄、焊縫長和易變形等，其焊縫強度直接影響了車體的整體強度，同時其變形量的大小決定了整個車體組合的精度；因此，有必要通過對大型結構件的焊接順序進行研究來控制其焊接變形，提高其組合精度。

近年來，數值模擬方法以其精確度高、成本低和周期短的優勢逐漸應用于焊接過程分析，本文應用WELD-PLANNER有限元分析軟件進行大型結構件焊接過程分析，通過分析選擇最優的焊接順序。

1產品屬性及焊接工藝

大型結構件是由3塊板材焊接而成，包括上側斜、水平和下垂直板材，結構示意圖如圖1所示。材料為高強鋼，焊接方法采用MAG熔化極氣體保護焊，焊絲為307Si不銹鋼焊絲，保護氣體為90%Ar+10%CO2。先進行部件點固焊，后進行焊縫滿焊。焊接設備為KUKA焊接機器人[1]。

圖1　產品結構示意圖

2數值模擬分析

在應用WELD-PLANNER軟件進行模擬分析前，首先導入材料性能參數。由于軟件自帶的材料數據庫中沒有所用鋼材的材料數據庫，因此，使用與該材料性能十分接近的高強度鋼的材料數據庫。需要定義材料的熱和機械屬性，主要參數有彈性模量、泊松比、線膨脹系數、應力-應變曲線和熔點等。

進行產品網格劃分時，焊縫區域網格劃分致密，遠離焊縫區域網格劃分稀疏(見圖2)。網格單元類型主要為四面體與六面體單元，該模型共包含10萬個節點，78 000多個3D單元，在計算之前需要完成相關集的設置，包括裝卡條件、焊縫區域。產品網絡模型如圖2所示，X、Y和Z分別表示約束的方向。

圖2　產品網絡模型

在焊接過程中，由于焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區熔化；而與熔池毗鄰的高溫區材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產生不均勻的壓縮塑性變形。在冷卻過程中，已發生壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮時也產生相應的壓縮拉應力與變形[2]。

由于大型結構件焊縫長度較長，共有4道焊縫，焊接過程除焊接參數對其變形影響較大外，4道焊縫的焊接順序及起始方向也對其變形影響較大[3]。由于焊接參數由產品結構、材料和焊絲材料基本確定，而焊縫起始方向一致采用從頭至尾的方式；因此，本文僅對焊縫順序進行優化。在進行模擬分析之前，首先對生產實際的焊接順序進行模擬分析，從仿真結果與實際工件變形量測量對比來看，變形趨勢及變形量基本吻合，確定模型建立的正確性和可用性。

對大型結構件的焊縫進行編號(見圖3)。焊縫1為上垂直板材外側焊縫，焊縫2為下垂直板材外側焊縫，焊縫3為下垂直板材外側焊縫，焊縫4為上垂直板材內側焊縫。根據生產經驗設計了5種焊接順序(見表1)。

圖3　產品焊縫編號

順序號第1道焊縫第2道焊縫第3道焊縫第4道焊縫1321422314314324134251243

按照上述焊接順序，輸入之前確定的材料屬性及焊接工藝等參數后，分析在不同焊接順序下大型結構件的焊接變形。

3計算結果分析

不同的焊接順序下產生的焊接變形云圖如圖4～圖8所示。

通過上述變形結果可以看出，不同的焊接順序下產生的焊接變形趨勢一致，只是在變形量上存在不同。為了進一步對比不同焊接順序下產生的變形，本文在模型上選取多個節點(見圖9)，并在5種焊接順序下進行對比(見圖10)， 5種焊接順序下的最大變形量見表1。結果表明，焊接順序為順序5(焊縫1→焊縫2→焊縫4→焊縫3)時變形最小。

圖4　順序1下均向位移

圖5　順序2下均向位移

圖6　順序3下均向位移

圖7　順序4下均向位移

圖8　順序5下均向位移

圖9　節點選取

圖10　5種焊接順序下的變形量

焊接順序最大變形量/mm12.00921.83932.15042.11351.760

4結語

通過采用合理的建模方式，成功地完成了大型結構件的網格劃分。根據現有的焊接順序、焊接工藝參數、工裝定位及裝夾方式，對大型結構件的焊接變形和殘余應力進行數值模擬。

通過設計5種不同的焊接順序，對大型結構件焊接變形進行了仿真，成功得到了每一種焊接順序下的焊接變形量。通過對比，得出了最優的焊接順序為順序5，即焊縫1→焊縫2→焊縫4→焊縫3，仿真結果證明優化后主焊縫焊接順序的制定是合理的。

參考文獻

[1] 史耀武.新編焊接數據資料手冊[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2] 陳裕川.焊接工藝設計與實例分析[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3] 柴蓬林,顏德,李海剛.大型發射架制造過程中的變形控制[J]. 新技術新工藝, 2014(2): 16-18.

責任編輯鄭練

Special Car Body Welding Large Structural Three-dimensional Finite Element Analysis and Process Optimization

CHEN Yong1, FENG Heyong1, LI Wei1, WANG Cheng2, ZHANG Baodong1, LIU Xingcheng1

(1.Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072, China; 2.People’s Liberation Army Stationed in North Vehicle Military Representative Office, Beijing 100072, China)

Abstract：The WELD-PLANNER finite element analysis software for big special car body structure of welding process in the numerical simulation analysis is introduced. Design a variety of welding procedure, and the welding sequence of different influence on the welding deformation of large structure is analyzed. Welding sequence is choosed to select the reasonable welding sequence, it can optimize welding process, reduce the welding deformation, and improve precision of the large structure. The method has a certain guiding significance for engineering application.

Key words:special car body large structure, the finite element analysis, welding sequence, welding deformation, process optimization

收稿日期：2014-05-04

作者簡介：陳泳(1983-)，男，碩士，工程師，主要從事車輛焊接等方面的研究。

中圖分類號：TG 404

文獻標志碼:A