基于SYSWELD的地鐵底架枕梁焊接變形的數(shù)值模擬

唐 琪，陳 鵬，黃菁婧，劉 贊

（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SYSWELD的地鐵底架枕梁焊接變形的數(shù)值模擬

唐 琪，陳 鵬，黃菁婧，劉 贊

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

針對地鐵枕梁采用的激光復(fù)合焊建立了相應(yīng)的復(fù)合熱源模型，并利用有限元軟件SYSWELD進(jìn)行求解。對枕梁在3種不同焊接順序的方案下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同方案下各方向的變形量。結(jié)果表明，在不同焊接方案下，焊接變形分布情況基本一致，但產(chǎn)生的最大變形量有所不同；可以通過設(shè)計(jì)合適的焊接順序來減小焊接過程中產(chǎn)生的變形。

SYSWELD；固有應(yīng)變法；激光復(fù)合焊；焊接順序；變形

0 前言

地鐵是一種綠色、高效、安全的交通工具，在城市的運(yùn)輸中起著重要作用。車體底架枕梁是列車與轉(zhuǎn)向架之間牽引傳動的紐帶，是同時(shí)承受拉伸和壓力載荷的關(guān)鍵部位，它由焊接而成，然而在焊接時(shí)往往會產(chǎn)生較大的焊接變形。焊接變形的出現(xiàn)不但影響構(gòu)件的尺寸精度，還可能影響機(jī)械加工。如果變形情況比較復(fù)雜，其矯正的工作量甚至比重新焊接的工作量更大；而有時(shí)變形太大，無法矯正，造成廢品，增加了材料的消耗，這對經(jīng)濟(jì)性和工藝性的影響都是巨大的[1-2]。

本研究采用固有應(yīng)變法對地鐵底架枕梁進(jìn)行數(shù)值仿真，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。采用SYSWELD焊接專業(yè)模擬軟件，通過定義材料相關(guān)屬性，采用適當(dāng)?shù)膹?fù)合熱源模型、漸變的網(wǎng)格，對地鐵底架枕梁進(jìn)行有限元模擬，預(yù)測焊接變形[3-5]。

1 幾何模型建立

地鐵底架枕梁是由上下蓋板、腹板和14塊不同尺寸筋板組裝而成的高度對稱的箱型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)全長2 829 mm，寬1 000 mm，高183 mm。為了清楚表示該結(jié)構(gòu)內(nèi)部筋板的分布情況，圖1的模型截去了上蓋板的一半。其中上蓋板厚6mm、腹板厚8mm、下蓋板厚8mm。采用Visual-Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于焊縫及熱影響區(qū)溫度梯度較大，為使計(jì)算結(jié)果更精確，同時(shí)節(jié)約計(jì)算時(shí)間和存儲空間，采用漸變網(wǎng)格的處理方法，即在焊縫及其附近區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置較為細(xì)密，尺寸1～2 mm；隨著距焊縫距離的增加，網(wǎng)格尺寸越來越大，為10～20 mm。如圖2所示，底架枕梁整體有限元模型由602 506個(gè)節(jié)點(diǎn)和412 672個(gè)實(shí)體單元構(gòu)成。

圖1 底架枕梁的幾何模型

圖2 底架枕梁整體結(jié)構(gòu)的有限元模型

2 熱源模型的選擇

相較于傳統(tǒng)單一熱源的焊接工藝，該枕梁結(jié)構(gòu)采用激光+GMAW復(fù)合焊接熱源，涉及了電弧、激光和熔滴三者之間的相互耦合，因此選擇合適的熱源模型十分關(guān)鍵。本研究采用與枕梁完全相同的材料進(jìn)行平板對焊，焊縫截面如圖3a所示。然后建立熱源模型，對比熱源截面和焊縫截面形貌來確定合適的熱源模型。通過不斷調(diào)整雙橢球+3D高斯復(fù)合熱源模型的相關(guān)參數(shù)，最終獲得與實(shí)際熔池形狀相一致的熱源模型，熱源截面如圖3b所示。

圖3 熱源校核結(jié)果

3 模擬方案設(shè)計(jì)

該底架枕梁由64條焊縫拼焊而成，其主要分布如圖4所示，由于上下蓋板與腹板兩側(cè)的焊縫是對稱的，因此對兩條相對的焊縫編號時(shí)，一側(cè)編號為WF_1，則另一側(cè)編號為WF_1'。在焊接過程中焊接順序不同產(chǎn)生的焊接變形也不同。具體焊接順序?yàn)椋合群干舷律w板與筋板、筋板與腹板的焊縫再進(jìn)行上下蓋板與腹板的焊接。在焊接上下蓋板與腹板的焊縫WH_1和WH_2及對面的4條焊縫時(shí)，本研究在最先焊接上蓋板與腹板的焊縫，并按順時(shí)針方向焊后，通過調(diào)整另外60條焊縫的焊接順序來優(yōu)化焊接工藝。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用的焊接順序?yàn)榉桨?，為進(jìn)一步研究不同焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懀硗庠O(shè)計(jì)了兩種焊接方案。3種焊接順序分別為：

（1）方案1。先依次焊完WG_1～WG_8和WG_1'～WG_8'后，再分別焊WG_9～WG_14和WG_15～WG_22及對面的焊縫，最后焊WF_1→WF_2→WF_3→WF_4→WF_5→WF_6→WF_7→WF_8及對面的焊縫。

圖4 枕梁筋板插接焊縫編號示意

（2）方案2。先分別依次焊WG_1～WG_8和WG_15～WG_22 及對面焊縫，再焊 WG_9～WG_14和WG_9'～WG_14'，最后焊WF_1→WF_8→WF_2→WF_7→WF_3→WF_6→WF_4→WF_5及對面的焊縫。

（3）方案3。先依次焊完WG_9～WG_14和WG_9'～WG_14'后，再分別焊WG_1～WG_8和WG_15～WG_22及對面焊縫，最后焊WF_4→WF_5→WF_3→WF_6→WF_2→WF_7→WF_1→WF_8及對面的焊縫。

4 模擬結(jié)果和分析

利用SYSWELD焊接專業(yè)模擬軟件對以上3種焊接順序進(jìn)行模擬，得到底架枕梁的均向變形云圖如圖5所示。

圖5 枕梁在不同順序方案下的均向變形云圖

枕梁結(jié)構(gòu)在這3種不同焊接順序下的均向焊接變形分布情況基本一致，主要分布于蓋板的邊緣區(qū)域且最大值相差不大。為了準(zhǔn)確預(yù)測變形情況，選擇最優(yōu)的焊接順序，取各焊接順序不同方向的焊接變形和均向變形的最大值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇最優(yōu)的焊接順序，如表1所示。

表1 不同焊接順序方案下的各向變形量

由表1可知，在各向變形中，枕梁的最大變形出現(xiàn)在x向收縮變形，達(dá)到6.378 mm；變化率方面，同樣是x向收縮變形最大，達(dá)到31.9%。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，方案3的x向收縮變形最大達(dá)到15.1%，結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)且變形更小，說明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好地吻合，方案3的焊接順序最為合理。

5 結(jié)論

（1）對該枕梁采用激光復(fù)合焊熱源建立雙橢球3D高斯復(fù)合熱源數(shù)學(xué)模型，并與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該熱源模型的合理性。

（2）根據(jù)枕梁結(jié)構(gòu)和焊縫分布特點(diǎn)制定了3種焊接方案，并分別模擬分析不同焊接方案下的焊接變形，不同的焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懯遣煌?/p>

（3）枕梁在x向的收縮變形和均變形表現(xiàn)得較為明顯。

（4）枕梁在y向的收縮變形量和z向的彎曲變形量較小。

[1]郭豪，倪寶成，董洪達(dá)，等.基于SYSWELD的地鐵構(gòu)架焊接變形數(shù)值模擬[J].電焊機(jī)，2015，45（2）：137-140.

[2]鄒俠銘，唐衡郴，宋興華.B型地鐵車體枕梁制造工藝研究[J].金屬加工（熱加工），2013（2）：61-63.

[3]董航海，劉建華，杜漢斌，等.焊接應(yīng)力應(yīng)變與變形的數(shù)值研究進(jìn)展[J].電焊機(jī)，2003，33（9）：15-17.

[4]Ueda Y，KimYC，YuanMG.Aprediction methodofwelding residual stress using source of residual stress（Report I）-Characteistics of inherent strain（source of residual stress）[J]J.Trans.Of JWRI，1989，18（1）：135-141.

[5]蔡志鵬.大型結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬的研究與應(yīng)用[D].北京：清華大學(xué)，2001.

Numerical simulation of welding deformation for body bolster on subway underframe based on SYSWELD

TANG Qi，CHEN Peng，HUANG Jingjng，LIU Zan
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A corresponding heat source model of the laser-arc hybrid welding used for body bolster is established and is solved by the finite element software SYSWELD.The numerical simulations of bolster under three different welding sequences schemes are researched，and then the deformations of different directions in each scheme are obtained.The results show that the distribution of welding deformation in different scheme is basically consistent，but each maximum deformation is different.The welding deformation generated in welding process can be reduced by setting up an appropriate welding sequence.

SYSWELD；inherent strain method；laser-arc hybrid welding；welding sequence；deformation

TG404

A

1001－2303（2017）06－0101-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.22

2016-11-30；

2017-02-21

唐 琪（1993—），男，在讀碩士，主要從事焊接結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬的研究，E-mail：18366182406@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：唐琪，陳鵬，黃菁婧，等.基于SYSWELD的地鐵底架枕梁焊接變形的數(shù)值模擬[J].電焊機(jī)，2017，47（06）：101-104.