城軌車鋁合金地板焊接壓緊力仿真分析

孫英時,臧德光

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

城軌車鋁合金地板焊接壓緊力仿真分析

孫英時,臧德光

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

為減小地板在焊接過程中的變形，以及減小焊接時由于地板變形對夾具造成的損傷.采用Ansys分析軟件，以城軌車鋁合金地板的焊接過程為研究對象，通過理論分析、以高斯熱源作為熱源模型對工件進行模擬以及焊接測試試驗相結合的方法，對夾具工藝提出要求，并對夾具夾緊力大小的確定進行分析.研究可為大型薄壁件的仿真分析提供仿真模型，該方法得到的結果對柔性化自動工裝具有較大的推廣應用價值.

鋁合金；焊接；地板；夾具；高斯熱源

0 引言

鋁合金地板的焊接過程采用自動焊接技術，在夾具夾緊位置會產生非穩定循環應力周期，長期的周期累計會使夾具工件產生疲勞破壞[1-2].在焊接過程中容易出現夾緊器變形較大或是夾緊器過早失效的情況，這既影響加工精度又降低了工裝設備的使用壽命.

本文基于ANSYS熱力藕合功能模塊，對城軌鋁合金車體地板部件焊接過程進行有限元模擬.焊接熱源采用瞬態熱分析方法模擬，利用己有的地板模型和工藝參數，得到焊接過程中電流、電壓、傳導系數，然后提取各時間步的地板溫度場，采用熱力藕合方法，對由地板溫度場變化而引起的地板焊接過程中壓緊力的變化過程進行有限元分析.

1 城軌車鋁合金地板建模

地板不是實體材料，而是采用鏤空的設計,長寬為211 680 mm×2 955 mm，上下板厚度為5mm，肋板的厚度為4 mm.鋁地板由5塊(3種)型材通過插接接口組焊而成[3].

首先根據地板參數進行Pro-E建模.因為地板是左右完全對稱的構件，其約束和加載都是對稱的，故在仿真過程中可以對一半模型進行仿真.然后采用 Hypermesh 建立構架地板的有限元模型，單元總數為1 249 500個，節點總數是2 134 581，零部件組3 個，焊接線組2個，約束節點組22個.

2 地板焊接壓緊力仿真分析

2.1 地板工藝分析

地板是板類件，焊縫是一條水平線，為提高焊接效率、保證焊接質量穩定，一般采用焊接機器人焊接生產.在進行組隊地板時，先將地板中間板放入工裝，之后吊入四塊側板.其次將一端對齊，插接嚴密后，檢測組隊尺寸，確認尺寸在公差范圍內，后將地板組件壓緊，并使用卡蘭卡住.

按照圖紙要求，對地板的尺寸和外形輪廓進行檢測.利用樣板對地板的輪廓進行檢測，對于地板間隙超過2 mm的部位要進行火焰調修.地板最終質量標準為每隔500 mm檢測一次，地板與樣板間隙不超過2mm[3].

地板工裝夾具采用人工夾緊，夾緊器均勻分布，左右各排布11個.

2.2 焊接溫度場分析

焊接時，由于焊件局部受熱而存在很大的溫度差，因此，不管是在焊件內部還是在焊件與周圍介質之間都會發生熱能的流動[4].焊接過程中，由熱源傳給焊件的熱量，主要是以輻射和對流形式為主.當地板與焊絲獲得熱量后，熱的傳播形式則主要以熱傳導為主.

焊接是一個局部快速加熱到高溫隨后快速冷卻的過程.隨著熱源的移動，整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，材料的物理性能也隨溫度的變化而變化，同時還存在熔化和相變時的潛熱現象.因此，焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態熱傳導問題[5].

非線性瞬態熱傳導問題的控制方程為：

影響溫度場的因素很多，如：焊接熱源、焊接速度、邊界條件、材料熱物理性能等.因此在計算溫度場時應綜合考慮以上因素[6].本文中采用氬弧焊，熱源選擇時考慮氬弧焊的焊接工藝，其最常用的是高斯熱源，因此本文采用高斯熱源模型模擬，材料的熱物理性能如表1所示.

表1 焊接溫度場鋁合金參數數值表

對于加熱中心任何一點A的熱流密度可表示為：

式中，qm為加熱斑點中心最大熱流密度，R為電弧有效加熱半徑，r為A點距離電弧加熱斑點中心的距離.對于移動熱源

為確保熱源的準確性，利用ANSYS程序對上

述高斯熱源各參數進行校核.取焊件的初始溫度為 20℃，焊接速度5 mm/s，電壓10 V，電流241A，熱輸入效率 85%.地板焊接位置如圖1所示.

圖1 地板焊接位置

2.3 焊接應力和變形的分析

由于高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊接后將產生相當大的焊接應力和變形.焊接應力和變形計算以焊接溫度場的分析為基礎.

本文研究四個載荷工況，其載荷工況和位移邊界條件如表2所示.表中X方向是水平垂直于焊接方向，Y方向是焊接方向，Z方向根據右手定則確定.

表2 地板載荷工況和位移邊界條件

注：X方向為地板寬度方向；Y方向為地板長度方向；Z方向垂直于地板方向

2.4 焊接模擬結果

四個工況取每個工況的最大變形和最大應力的圖進行分析.工況一的作用下，熱源溫度保持2526℃；其最大變形發生在20 s，最大變形量為0.249 7 mm；應力最大發生在80 s，最大應力為276.446 MPa,如圖2所示.

(a)熱分析圖

(b)變形云圖

工況二的作用下，熱源溫度保持2 436℃；其最大變形發生在80 s，最大變形量為0.351 2 mm；應力最大發生在20 s，最大應力為296.11 MPa,如圖3所示.

(a)熱分析圖

(b)變形云圖

(c)Von. Mises應力云圖

工況三的作用下，熱源溫度保持2 526℃，此時溫度和工況一是完全一樣的；其最大變形發生在80 s，最大變形量為0.247 1 mm；應力最大發生在80 s，最大應力為190.865 MPa,如圖4所示.

圖4 計算工況三作用下地板氬弧焊構件的分析圖

工況四的作用下，熱源溫度保持2436℃，此時溫度和工況二是完全一樣的；其最大變形發生在20 s，最大變形量為0.253 5 mm；應力最大發生在80 s，最大應力為190.865 MPa,如圖5所示.

圖5 計算工況四作用下地板氬弧焊構件的分析圖

Ansys仿真后，提取夾具位置的支反力，得出地板變形夾緊力求解結果如表3所示.本文提取八點支反力，其分布位置如圖6所示.

圖6 夾具分布圖

表3 地板變形夾緊力求解結果

由表3分析可以看出，焊接第一條焊縫的時候，在釋放垂直于夾具方向上的約束后，地板的變形要減小17.5%，夾具位置支反力減小12%；在同樣的約束和載荷作用下，適當增加夾具個數，地板的變形要減小33.5%，夾具位置支反力減小28%.

在焊接第二條焊縫的時候，無論是變形還是支反力都比焊接第一條焊縫的時候小，可以看出，焊縫離夾具越遠焊接變形也會減小.在順序焊的時候，變形和支反力變化比較大.可見，第一條焊縫焊接完后，可對工件適當的冷卻可以降低工件的變形，同時支反力也會減小.

通過對城軌車鋁合金地板焊接過程進行仿真模擬，針對地板高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊接后將產生相當大的焊接應力和變形，得到焊接過程中夾具位置的支反力.進而得到地板壓緊力的變化情況.由焊接模擬過程可以得到：

對城軌車地板四個工況進行熱、力仿真分析得到焊接模擬過程中，最大溫度為2 526℃，最大變形量為0.351 2 mm，最大應力值為296.11MPa，最大壓緊力為6 379 N.

2.5 焊接測試結果

本文對工況一進行現場測試，其測試點與仿真觀察點的位置是統一的.測試采用傳感器測試，測試時，先測出焊接前夾具給地板的力即預緊力的大小， 之后將數據清零， 焊接開始后可以測出支反力的變化，正值表示夾緊力增大，負值表示夾緊力減小.最后測試結果如表4所示.

表4 測試結果

從測試結果可以看出，仿真結果出現的最大值位置的數值與實際測試的結果基本一致，誤差為7.2%，可以驗證理論的正確性.

通過對工況一的現場測試，其測試結果與仿真結果壓緊力的變化趨勢一致，驗證了仿真模型的正確性.

3 結論

通過本文的研究分析，可以得到該仿真模型可以推廣到大型薄壁件的仿真分析中.仿真計算結果表明，適當增加夾具個數、適當釋放夾具位置的壓緊力，對地板變形減小有一定的幫助.該方法得到的結果對柔性化自動工裝具有較大的推廣應用價值.

[1]王文靜.高速列車設備艙支架疲勞裂紋機理研究[J]. 機械工程學報，2007(2):142-147.

[2] 梁軍.基于ANSYS的艦船桅桿振動半主動神經網絡控制仿真[J]. 船舶力學,2011(2)：160-168.

[3]PATEE F M.Buckling distortion of thin aluminum plates during welding[D]. England：Cambridge,1975.

[4]強偉, 王克鴻, 林祥禮. 鋁合金雙面雙弧同步立焊工藝特征與接頭組織性能分析[J]. 機械工程學報, 2015, 51(24): 82-89.

[5]蔡洪能,唐慕堯. TIG焊接溫度場的有限元分析[J]. 機械工程學報, 1996, 32(2): 34-39.

[6]姚君山,張彥華,張崇顯，等. 有源強化傳熱控制薄板焊接壓曲變形的研究[J].機械工程學報, 2000, 36(9): 55-60.

Simulation and Analysis of Welding Compaction Force of Aluminum Alloy Floor

SUN Yingshi ，ZANG Deguang

(School of Mechanical Engineering， Dalian Jiaotong University, Dalian 116028，China)

In order to reduce the deformation of the floor in the welding process, as well as to reduce the damage caused by the deformation of the floor during the welding process. Ansys analysis software is used to study the welding process of aluminum alloy floor of city rail vehicle. Through the theoretical analysis, the Gauss heat source is used as the heat source model to simulate the work piece and the combination of welding test. The requirements on the fixture process is proposed, and the determination of the size of the clamping force of the clamp is conducted. The research can provide the simulation model for the simulation of large thin wall parts, and the results obtained from this method have great application value for flexible automatic tool assembly.

alufer; welding; floor; clamp; gauss heat source

1673- 9590(2017)04- 0041- 04

2016-06-23

孫英時(1965-)，男，副教授，碩士，主要從事機械設計以及工程圖學的研究E- mail:dlsys2006@163.com.

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