基于固有應(yīng)變法的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接變形數(shù)值模擬

劉 贊，陳 鵬，梁 勇，范興文，徐紫薇

（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)向架構(gòu)架焊接變形數(shù)值模擬

劉 贊，陳 鵬，梁 勇，范興文，徐紫薇

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

使用SYSWELD中的固有應(yīng)變法對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行有限元分析。采用三種不同焊接方向的方案對構(gòu)架變形進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬得到每種方案下構(gòu)架各方向上的焊接變形。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；不同方向下的焊接變形趨勢一致，但在不同位置上構(gòu)架的變形不相同；可以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)暮附臃较?，使產(chǎn)生的變形和彎曲減小。

SYSWELD；固有應(yīng)變；焊接方向；變形

0 前言

轉(zhuǎn)向架是高速列車的關(guān)鍵部位，它對列車的安全起著至關(guān)重要的作用。焊接過程必然會引起構(gòu)架變形，對構(gòu)架造成不良的影響。列車在運(yùn)行過程中由此引發(fā)一系列安全隱患問題，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的交通事故，造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]，故對構(gòu)架殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行研究具有重大意義。

小型構(gòu)件焊接模擬一般采用熱彈塑性理論。在大型構(gòu)件的模擬中，有限元模型單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)多，導(dǎo)致計(jì)算量過大，甚至計(jì)算不收斂。在這種情況下，本研究采用固有應(yīng)變法對轉(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)問題，它可以大大減少模擬時(shí)間，并且結(jié)果具有一定的精確性[2]。

1 固有應(yīng)變法

固有應(yīng)變法是由日本學(xué)者上田幸雄等人提出的，包括塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變，可以看成是焊接應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生的根本原因[3]。固有應(yīng)變?yōu)?/p>

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

在焊接過程中，熱應(yīng)變會隨著焊接過程完成后溫度的降低而消失。所以，焊接完成后的固有應(yīng)變值為塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變之和[4]。

2 模擬方案設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要焊縫的分類如圖1所示。G003為環(huán)焊縫，僅對構(gòu)架G001和G002焊縫設(shè)計(jì)了三種

不同的焊接方向進(jìn)行模擬，三種焊接方向分別如圖2所示。

圖1 主要焊縫分類Fig.1Classification of the main weld

圖2 不同焊接方向Fig.2Different direction of welding

3 模型建立

構(gòu)架由左右對稱的兩個(gè)側(cè)梁和一個(gè)橫梁焊接而成。構(gòu)架的外表面有許多組裝零部件，它們對構(gòu)架整體的變形影響不大，且數(shù)量繁多，為減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，簡化了構(gòu)架表面，簡化后的構(gòu)架整體有限元模型如圖3所示，在其表面取4個(gè)點(diǎn)。約束加載如圖4所示。

圖3 劃分后的構(gòu)架整體有限元模型Fig.3Frame finite element model

圖4 構(gòu)架約束的施加Fig.4Constraints of frame

模擬使用SYSWELD軟件中Visual Mesh軟件，對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。為保證模擬結(jié)果的精確性和計(jì)算效率，網(wǎng)格劃分時(shí)采用漸變網(wǎng)格的處理方法，由近縫區(qū)至母材區(qū)域網(wǎng)格由小變大、逐漸過渡。對構(gòu)架相關(guān)構(gòu)件和總體進(jìn)行單元離散之后，構(gòu)架有限元模型總共有226 915個(gè)實(shí)體單元，304 894個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4 數(shù)值模擬及分析

在三種不同的焊接方向下進(jìn)行焊接模擬計(jì)算，得到的構(gòu)架均向以及x、y方向的焊接變形云圖分別如圖5～圖7所示。

根據(jù)變形云圖可知，不同方向下均向變形分布差別很小，主要分布在焊縫對接焊縫和U型焊縫的交叉區(qū)域。構(gòu)架x、y方向上發(fā)生了收縮變形和彎曲變形。在三種方案下，構(gòu)架的變形趨勢一致，x方向最大變形位于橫梁和側(cè)梁的對接焊縫和U型焊縫交叉區(qū)域；y方向最大變形位于側(cè)梁四個(gè)彈簧筒端部。節(jié)點(diǎn)1、4和節(jié)點(diǎn)2、3的x方向和y方向變形之和取平均值，得到構(gòu)架在x、y方向的收縮變形；節(jié)點(diǎn)1、2和節(jié)點(diǎn)3、4的均向變形取平均值，得到橫

梁x、y方向彎曲變形。三種方案下的變形、彎曲量如表1所示

圖5 均向焊接變形云圖Fig.5Structure of the welding deformation

圖6 x方向焊接變形云圖Fig.6x direction of welding deformation

圖7 y方向焊接變形云圖Fig.7 y direction of welding deformation

由表1可知，焊接方向?qū)?gòu)架焊接變形的影響不大，最大的變化在y方向變化率只有2.82％。而焊接方向?qū)?gòu)架的彎曲產(chǎn)生一定影響，x方向彎曲最大的為方向3，y方向彎曲最大的為方向1和方向3，其變化率為5.27％。綜上分析，方向2的焊接方向較為合理。

5 結(jié)論

（1）采用固有應(yīng)變法可以對大型構(gòu)件進(jìn)行焊接模擬。

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Numerical simulation of the bogie frame welding deformation based on inherent strain method

LIU Zan，CHEN Peng，LIANG Yong，F(xiàn)AN Xingwen，XU Ziwei
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In this paper，conducted finite element analysis for the bogie frame in SYSWELD based on inherent strain method.Numerical simulation of the deformation of frame with three different welding direction，received frame every direction of welding deformation under each scheme.The results showthat the welding stimulation can be performed on the large components by using inherent strain method；the tendencyofdeformation under different direction is consistent，but in a different location，welding distortion is not the same.We can design the proper direction ofwelding，reduce the deformation and bending.

SYSWELD；inherent strain；welding direction；deformation

TG404

A

1001－2303（2016）09－0101-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.24

2015-11-18；

2016-06-15

劉贊（1991—），男，湖北咸寧人，在讀碩士，主要從事焊接結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)模擬研究工作。