不銹鋼車頂結(jié)構(gòu)焊接變形的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

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(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,江蘇 南京 210031)

0 前言

城軌車頂屬于薄板構(gòu)件長(zhǎng)程焊接結(jié)構(gòu)，其變形是影響車體整體服役性能的關(guān)鍵因素[1-2]。對(duì)大型車頂構(gòu)件進(jìn)行全面的變形測(cè)量難度大、成本高，且需要在焊后實(shí)施，無(wú)法對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，車頂選用不銹鋼作為主體材料，因不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小，易出現(xiàn)難以控制的焊接變形，降低焊接接頭質(zhì)量[3-5]。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝，成為目前焊接大型車頂結(jié)構(gòu)件控制變形的主要手段，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一大研究熱點(diǎn)[6-8]。因此，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，探索不銹鋼車頂骨架結(jié)構(gòu)焊接變形規(guī)律，并且與實(shí)際焊接效果進(jìn)行對(duì)比，分析模擬變形預(yù)測(cè)的精度。

1 固有應(yīng)變模型的建立

1.1 固有應(yīng)變網(wǎng)格

出口某國(guó)的地鐵3號(hào)線車頂結(jié)構(gòu)尺寸為21.60 m×2.76 m×0.55 m，車體材料為X2CrNiN18-7不銹鋼。采用Hypermesh網(wǎng)格劃分工具對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖1為車頂整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分示意圖，網(wǎng)格總單元數(shù)為94 734，節(jié)點(diǎn)數(shù)136 786。采用過(guò)渡型網(wǎng)格剖分方法，使焊縫區(qū)的小尺寸網(wǎng)格與遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的大尺寸網(wǎng)格之間實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。

圖1 車頂結(jié)構(gòu)網(wǎng)格部分

1.2 邊界條件

根據(jù)車頂焊接過(guò)程中的實(shí)際裝夾位置，在Weld Planner軟件中設(shè)置相應(yīng)的夾持，如圖2所示，圖中邊梁處標(biāo)出的位置即為設(shè)置的約束。

采用常用的熱邊界條件設(shè)置方法，構(gòu)件同空氣接觸界面為熱對(duì)流界面條件，單元之間采用熱傳導(dǎo)界面條件。利用自編程的固有應(yīng)變求解器Weld Planner進(jìn)行求解計(jì)算。……