Y25型轉向架側梁焊接變形熱彈塑性有限元分析

徐紫薇，吉 超，陳 鵬，朱忠尹，張勇軍，何金光

（1.成都工貿職業技術學院，四川 成都 611731；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都610031）

Y25型轉向架側梁焊接變形熱彈塑性有限元分析

徐紫薇1，吉 超2，陳 鵬2，朱忠尹2，張勇軍2，何金光2

（1.成都工貿職業技術學院，四川 成都 611731；2.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都610031）

針對低合金結構鋼材料的特點，采用熱循環曲線法對Y25型轉向架側梁的焊接變形進行仿真計算，該方法不考慮相變的影響，研究裝夾部位對焊接變形的影響。結果表明：約束位置對焊接變形的影響較大，不同約束位置下的平均角變形變化高達63.47%；在能進行正常施工的條件下，采用優化的夾持位置能有效地減小焊接變形量。因此，在制定焊接工藝時應把夾具約束的位置作為重點影響因素考慮。

轉向架；熱彈塑性；有限元

0 前言

隨著社會現代化的發展，人們對制造水平提出了更高的要求，依靠經驗判斷己經不能滿足生產制造的要求。隨著計算機的快速發展，采用計算機對焊接變形進行數值模擬已經逐漸成為預測焊接變形的重要手段之一。隨著計算機模擬技術的發展，許多研究人員在計算機模擬技術的研發和應用上做了大量的工作，采用計算機模擬技術預測焊接變形來解決焊接實際生產中的問題，既降低了焊接生產投入，又節約了大量的人力、物力。但是，由于計算機數值模擬技術本身存在的一些缺陷以及發展中的制造業對計算機數值模擬結果提出了越來越高的要求，在大型焊接結構件上的計算機模擬技術研究較少。

1 熱彈塑性分析的假定

為了準確模擬焊接的熱應力應變過程，通常在數值分析時將多種非線性計算簡化成材料的瞬態非線性計算。焊接過程中的熱彈塑性分析主要有如下假設[1]：

（1）材料屈服行為服從Von-Mises屈服準則。

（2）存在于塑性區的材料服從強化準則和塑性流動準則。

（3）塑性與彈性應變隨溫度變化而變化。

（4）在很短時間內力學特性、應力應變關系與溫度呈線性關系。

2 材料參數

Q345化學成分如表1所示，物理性能參數如圖1所示。

表1 Q345化學成分%

圖1 Q345的物理性能參數

在焊接過程的有限元數值模擬中，一般設定焊接熱源的溫度為材料熔點即可，焊縫處溫度不能太高，否則會對模擬結果產生一定影響，降低模擬精度。

3 有限元模型

該構件焊接工藝為：電流250～300A，電壓26.5～ 28.5 V；采用CO2氣體保護焊，流量20L/min。該構件由4條焊縫連接而成，每條焊縫由4道焊焊接而成，采用左右交替焊接。

該轉向架側梁由上蓋板、下蓋板、腹板和4塊肋板構成，腹板板厚16 mm，上蓋板和下蓋板板厚12 mm，長約3 000 mm，側梁模型如圖2所示。

圖2 Y25型轉向架側梁

采用SYSWELD軟件自帶的劃分網格工具對該構架側梁進行網格劃分，劃分完成的網格模型如圖3所示。本次劃分網格采用實體網格劃分技術，共有137 994個實體單元。劃分網格時采用了漸變網格，即重點分析的焊縫區域采用尺寸較小的網格，距離焊縫遠的區域采用尺寸較大的網格，網格尺寸隨距離逐漸增加，以確保數值分析的精度和效率。

圖3 轉向架網格模型

4 數值模擬及分析

在整個模擬焊接變形的過程中，夾持的主要目的是保證焊接過程順利完成[2]，夾持位置的不同對焊接變形的影響是研究的主要問題。采取3種不同的約束方法對焊接變形進行數值模擬分析，經模擬分析定量得出了3種約束方法的變形量。

3種不同的約束部位如圖4～圖6所示。

3種約束方式分別為中部、兩端、肋板至兩端中部，3種方法約束數量相同，且均采用4對約束對上蓋板和下蓋板進行約束。

約束1的最終變形云圖如圖7所示。

分析3種不同約束方式下的焊接變形量發現，在約束釋放之后，不同約束方式下的變形趨勢基本一致[3]，但側梁最后形成的變形量是不相同的。

圖4 約束方式1

圖5 約束方式2

圖7 約束1的最終變形云圖

x、z方向上的變形量均比y方向上的小，都在1mm內。側梁最終的變形主要表現為角變形，而角變形量最大的區域集中在上蓋板和下蓋板的兩個端部，在肋板及夾持處基本無角變形[4]。這是因為側梁中的腹板使得彎曲變形的變形剛度增加，而整體的彎曲變形并不明顯。x方向上的最大變形量主要位于上蓋板的中部，兩肋板的中間部位，而下板該部位的變形量小于0.1 mm。z方向上的最大變形部位主要在上蓋板中部。因此角變形需要著重關注。本研究數值模擬結果與側梁實際焊接時所產生的變形結果一致。側梁實際焊接后，焊接變形主要呈現為上、下蓋板向內側翹曲[5]。3種不同約束方式下的變形量如表2所示。

表2 不同焊接方向下的焊接變形

由表2可知，采用相同的焊接夾具，約束位置不同時產生的角變形量相差較大，平均角變形變化達到了63.47%。優化焊接約束部位可以有效改善焊接變形量，綜合對比分析上述3種約束方式，約束方式2為3種方式中的最佳約束，與之相對應的夾持位置為兩端夾持；約束方式1為3種方式中的最差約束，與之對應的夾持位置為上蓋板和下蓋板中間部位夾持。

5 結論

（1）不同約束方式下的焊接變形量相差較大，平均角變形變化高達63.47%。

（2）在滿足正常焊接的情況下，優化焊接夾具的夾持位置能有效地減小焊接變形量。

（3）在制定焊接工藝時，把夾具的約束位置作為焊接變形的因素重點考慮。

[1] 大型復雜結構焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].焊接學報，2008，29（4）：69-72.

[2] 王世斌.淺談大型鋼結構的焊接變形控制[J].中國水運，2008，8（11）：178-179.

[3]WANGJianhua，LUhao.Predictionofweldingdeformations byFEMbased oninherent strains[J].Journal of Shanghai Jiao tong University（in ENGLISH），2000，5（2）：83-87.

[4]Y25型轉向架焊接構架制造工藝[J].機車車輛工藝，2012，10（5）：18-20.

[5] 張煒.軌道客車轉向架構架側梁的焊接數值模擬[D].吉林：吉林大學，2013.

Welding deformation analysis on the side beam of Y25 type bogie by thermal elastic-plastic finite element method

XU Ziwei1，JI Chao2，CHEN Peng2，ZHU Zhongyin2，ZHANG Yongjun2，HE Jinguang2
（1.Chengdu Industry and Trade College，Chengdu 611731，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Based on the characteristics of low alloy structural steel materials，this paper uses the thermal cycle curve method without considering phase change to make a simulation of welding deformation of multipass welding on the side beam of Y25type bogie，and studies the welding deformation data under different constraint location.There sultsshow that：first，the welding deformations differ greatly under different correlation parameter，and the percentage of the average angular deformation under different correlation parameter reaches to63.47%；second，under the condition of ensuring the normal construction，optimizing the correlation parameter of the welding jig can reduce the welding deformation effectively；third，the position of the jig constraints shouldbe firstly considered in the establishment of welding procedure.

bogie；thermal elastic-plasticity；finite element

TG457.2

A

1001－2303（2017）08－0146-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.31

本文參考文獻引用格式：徐紫薇，吉超，陳鵬，等.Y25型轉向架側梁焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].電焊機，2017，47（08）：146-148.

2017-05-10

徐紫薇（1989—），女，在讀碩士，主要從事焊接數值模擬的研究工作。E-mail：377769327@qq.com。