徐紫薇，吉 超，陳 鵬，朱忠尹，張勇軍，何金光

（1.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611731；2.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610031）

Y25型轉(zhuǎn)向架側(cè)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(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611731；2.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(duì)低合金結(jié)構(gòu)鋼材料的特點(diǎn)，采用熱循環(huán)曲線(xiàn)法對(duì)Y25型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接變形進(jìn)行仿真計(jì)算，該方法不考慮相變的影響，研究裝夾部位對(duì)焊接變形的影響。結(jié)果表明：約束位置對(duì)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(dá)63.47%；在能進(jìn)行正常施工的條件下，采用優(yōu)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(shí)應(yīng)把夾具約束的位置作為重點(diǎn)影響因素考慮。

轉(zhuǎn)向架；熱彈塑性；有限元

0 前言

隨著社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展，人們對(duì)制造水平提出了更高的要求，依靠經(jīng)驗(yàn)判斷己經(jīng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)制造的要求。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)對(duì)焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)逐漸成為預(yù)測(cè)焊接變形的重要手段之一。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，許多研究人員在計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用上做了大量的工作，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)焊接變形來(lái)解決焊接實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題，既降低了焊接生產(chǎn)投入，又節(jié)約了大量的人力、物力。但是，由于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)本身存在的一些缺陷以及發(fā)展中的制造業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果提出了越來(lái)越高的要求，在大型焊接結(jié)構(gòu)件上的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究較少。

1 熱彈塑性分析的假定

為了準(zhǔn)確模擬焊接的熱應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程，通常在數(shù)值分析時(shí)將多種非線(xiàn)性計(jì)算簡(jiǎn)化成材料的瞬態(tài)非線(xiàn)性計(jì)算。焊接過(guò)程中的熱彈塑性分析主要有如下假設(shè)[1]：

（1）材料屈服行為服從Von-Mises屈服準(zhǔn)則。

（2）存在于塑性區(qū)的材料服從強(qiáng)化準(zhǔn)則和塑性流動(dòng)準(zhǔn)則。

（3）塑性與彈性應(yīng)變隨溫度變化而變化。

（4）在很短時(shí)間內(nèi)力學(xué)特性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。

2 材料參數(shù)

Q345化學(xué)成分如表1所示，物理性能參數(shù)如圖1所示。

表1 Q345化學(xué)成分%

圖1 Q345的物理性能參數(shù)

在焊接過(guò)程的有限元數(shù)值模擬中，一般設(shè)定焊接熱源的溫度為材料熔點(diǎn)即可，焊縫處溫度不能太高，否則會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生一定影響，降低模擬精度。

3 有限元模型

該構(gòu)件焊接工藝為：電流250～300A，電壓26.5～ 28.5 V；采用CO2氣體保護(hù)焊，流量20L/min。該構(gòu)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(zhuǎn)向架側(cè)梁由上蓋板、下蓋板、腹板和4塊肋板構(gòu)成，腹板板厚16 mm，上蓋板和下蓋板板厚12 mm，長(zhǎng)約3 000 mm，側(cè)梁模型如圖2所示。

圖2 Y25型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁

采用SYSWELD軟件自帶的劃分網(wǎng)格工具對(duì)該構(gòu)架側(cè)梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成的網(wǎng)格模型如圖3所示。本次劃分網(wǎng)格采用實(shí)體網(wǎng)格劃分技術(shù)，共有137 994個(gè)實(shí)體單元。劃分網(wǎng)格時(shí)采用了漸變網(wǎng)格，即重點(diǎn)分析的焊縫區(qū)域采用尺寸較小的網(wǎng)格，距離焊縫遠(yuǎn)的區(qū)域采用尺寸較大的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸隨距離逐漸增加，以確保數(shù)值分析的精度和效率。

圖3 轉(zhuǎn)向架網(wǎng)格模型

4 數(shù)值模擬及分析

在整個(gè)模擬焊接變形的過(guò)程中，夾持的主要目的是保證焊接過(guò)程順利完成[2]，夾持位置的不同對(duì)焊接變形的影響是研究的主要問(wèn)題。采取3種不同的約束方法對(duì)焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，經(jīng)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(shù)量相同，且均采用4對(duì)約束對(duì)上蓋板和下蓋板進(jìn)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(fā)現(xiàn)，在約束釋放之后，不同約束方式下的變形趨勢(shì)基本一致[3]，但側(cè)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(nèi)。側(cè)梁最終的變形主要表現(xiàn)為角變形，而角變形量最大的區(qū)域集中在上蓋板和下蓋板的兩個(gè)端部，在肋板及夾持處基本無(wú)角變形[4]。這是因?yàn)閭?cè)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(guān)注。本研究數(shù)值模擬結(jié)果與側(cè)梁實(shí)際焊接時(shí)所產(chǎn)生的變形結(jié)果一致。側(cè)梁實(shí)際焊接后，焊接變形主要呈現(xiàn)為上、下蓋板向內(nèi)側(cè)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(shí)產(chǎn)生的角變形量相差較大，平均角變形變化達(dá)到了63.47%。優(yōu)化焊接約束部位可以有效改善焊接變形量，綜合對(duì)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的夾持位置為上蓋板和下蓋板中間部位夾持。

5 結(jié)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(dá)63.47%。

（2）在滿(mǎn)足正常焊接的情況下，優(yōu)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(shí)，把夾具的約束位置作為焊接變形的因素重點(diǎn)考慮。

[1] 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2008，29（4）：69-72.

[2] 王世斌.淺談大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形控制[J].中國(guó)水運(yùn)，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(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架制造工藝[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝，2012，10（5）：18-20.

[5] 張煒.軌道客車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁的焊接數(shù)值模擬[D].吉林：吉林大學(xué)，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(xiàn)引用格式：徐紫薇，吉超，陳鵬，等.Y25型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：146-148.

2017-05-10

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