高宗凱， 聶春戈， 俞壯壯

（大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧大連116028）

0 引言

鐵路車輛的轉(zhuǎn)向架側(cè)架是一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)[1]，本文使用可以反映出轉(zhuǎn)向架典型焊接接頭和真實(shí)約束度的箱形結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)試樣。對(duì)箱型結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果和殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，可以為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)向架焊接殘余應(yīng)力與變形提供理論與實(shí)際依據(jù)。

關(guān)于焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬[2-4]這一問題國內(nèi)外都已經(jīng)有不少研究。S.R.Daniewicz首先通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量了船體結(jié)構(gòu)焊縫的固有收縮量，又將測(cè)量得到的固有收縮量作為初始條件施加到了船體結(jié)構(gòu)的有限元模型上，進(jìn)行了船體結(jié)構(gòu)的焊接變形仿真研究。汪建華[5-6]利用熱彈塑性有限元法探討了熱彈塑性分析時(shí)如何提高解的準(zhǔn)確度和收斂性，并且提出了新的有限元計(jì)算方法，運(yùn)用汪建華提出的方法可以計(jì)算出焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)。針對(duì)各種焊接接頭形式，汪建華又分別提出了不同的計(jì)算機(jī)焊接傳熱程序[7]，對(duì)不同厚板在焊接時(shí)的焊接殘余應(yīng)力是否有分布規(guī)律也進(jìn)行了研究。

本文使用可以反映出轉(zhuǎn)向架典型焊接接頭和真實(shí)約束度的箱形結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)試樣。對(duì)箱型結(jié)構(gòu)試樣使用盲孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。對(duì)箱型結(jié)構(gòu)試樣的有限元模型使用溫度應(yīng)力順序耦合法進(jìn)行殘余應(yīng)力仿真預(yù)測(cè)，具體方法是把焊縫區(qū)域溫度升高到焊接時(shí)的溫度，其余部分保持室溫，再讓模型冷卻到室溫，得到溫度場(chǎng)，從而得到冷卻后的殘余應(yīng)力場(chǎng)和塑性應(yīng)變場(chǎng)。與通常用的熱彈塑性有限元分析法相比，這種方法雖然不能顯示出焊接過程瞬時(shí)溫度場(chǎng)，但計(jì)算時(shí)間短并且通用性強(qiáng)，更加快速有效。結(jié)果表明，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，數(shù)值有一些差別，但變化趨勢(shì)、數(shù)量級(jí)接近。

1 理論分析

在制造生產(chǎn)鐵路車輛的車體、轉(zhuǎn)向架等核心部件時(shí)，焊接技術(shù)被廣泛運(yùn)用。在鐵路車輛實(shí)際運(yùn)行中，鐵路車輛結(jié)構(gòu)的可靠性和安全服役性與焊接殘余應(yīng)力有著密切的聯(lián)系。因此，如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)接殘余應(yīng)力與變形，是一個(gè)具有重要工程價(jià)值的問題。

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因是焊接區(qū)域受到較大溫度變化而引起的局部塑性變形。我們可以通過，理論分析，實(shí)際測(cè)量和數(shù)值計(jì)算來確定殘余應(yīng)力。對(duì)接接頭厚度方向的殘余應(yīng)力與對(duì)接接頭的厚度大小有關(guān)。當(dāng)對(duì)接接頭的厚度小于20 mm時(shí)我們將忽視厚度方向的殘余應(yīng)力，只考慮對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)的縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力。把平行于焊縫軸線方向的應(yīng)力叫做縱向殘余應(yīng)力，通常用符號(hào)σx表示。把垂直于焊縫軸線的應(yīng)力叫做橫向殘余應(yīng)力，通常用符號(hào)σy表示。一條焊縫上的縱向殘余應(yīng)力都是拉應(yīng)力，但是縱向殘余應(yīng)力的大小不完全相同。如圖1（a），對(duì)接焊縫的中間區(qū)域縱向殘余應(yīng)力數(shù)值較大并且在一定范圍內(nèi)數(shù)值穩(wěn)定，存在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)。在板件的兩端縱向殘余應(yīng)力逐漸減小，存在一個(gè)過渡區(qū)?？v向殘余應(yīng)力沿垂直焊縫方向的方向不相同，如圖1（b）。焊縫附近為拉應(yīng)力，離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。在焊接時(shí)對(duì)接焊縫及其及其附近塑性區(qū)的縱向收縮將會(huì)引起橫向應(yīng)力σy′，焊縫及其附近塑性區(qū)的橫向收縮引起的橫向應(yīng)力σy″。σy′與σy″組成了橫向殘余應(yīng)力σy?？v向殘余應(yīng)力在焊縫區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，板件的兩側(cè)為壓應(yīng)力，會(huì)使焊縫一邊產(chǎn)生壓縮變形的趨勢(shì)，無焊縫一邊產(chǎn)生伸長變形的趨勢(shì)。焊縫及其附近塑性區(qū)會(huì)產(chǎn)生縱向收縮，因?yàn)榘寮３衷瓉淼男螤睿园寮缚p的兩端區(qū)域存在著壓應(yīng)力，在板件焊縫的中心區(qū)域應(yīng)力是拉應(yīng)力。同時(shí)焊縫中心區(qū)域的拉應(yīng)力比板件焊縫兩端區(qū)域的壓應(yīng)力小很多，如圖1（c）。σy″的分布規(guī)律與焊接的方向有關(guān)。焊縫在焊接后會(huì)橫向收縮，實(shí)際生產(chǎn)中一條焊縫無法同時(shí)完成，先焊接處的焊縫相對(duì)于后焊接處的焊縫會(huì)先冷卻。橫向應(yīng)力σy″是由于先冷卻的焊縫限制后冷卻焊縫的橫向收縮而產(chǎn)生的。先焊的部分σy″為壓應(yīng)力，后焊的部分σy″為拉應(yīng)力。

圖1 殘余應(yīng)力的分布

2 箱型結(jié)構(gòu)有限元模型的殘余應(yīng)力分析

箱式結(jié)構(gòu)試樣由一個(gè)U型彎板（200 mm×100 mm×12 mm），一個(gè)對(duì)接蓋板（300 mm×250 mm×12 mm）及六個(gè)厚度為12 mm肋板組成。整個(gè)箱型結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，為了減小計(jì)算規(guī)模和提高計(jì)算效率，有限元模型為實(shí)際模型的二分之一。應(yīng)用HyperMesh軟件劃分網(wǎng)格，有限元模型由六面體實(shí)體單元組成,焊縫和焊縫周圍的網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格寬1~2 mm。有限元模型的單元總數(shù)為35 802；節(jié)點(diǎn)總數(shù)為43 891，3D實(shí)體有限元模型請(qǐng)如圖2所示。圖2中藍(lán)色是焊縫部分。

查找相關(guān)資料[8-9]，確定箱型結(jié)構(gòu)有限元模型的熱物理和力學(xué)特性如表1所示。

圖2 3D實(shí)體有限元模型

表1 箱型結(jié)構(gòu)有限元模型的熱物理和力學(xué)特性

將HyperMesh中建立的箱式結(jié)構(gòu)有限元模型導(dǎo)入Abaqus中，箱型結(jié)構(gòu)有限元模型的殘余應(yīng)力分析使用的是順序耦合熱應(yīng)力分析法，具體方法是首先設(shè)置整個(gè)模型的初始溫度為20℃，再令焊縫區(qū)域溫度升高到1700℃，其余區(qū)域的溫度仍保持20℃，再讓模型冷卻到室溫20℃。這樣我們可以得到相應(yīng)的溫度場(chǎng)。然后再將得到的溫度場(chǎng)作為熱應(yīng)力分析的已知條件，得到箱型結(jié)構(gòu)焊接后的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，整個(gè)計(jì)算過程在Abaqus中實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行有限元程序，得到的縱向應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 縱向殘余應(yīng)力分布

在圖3中紅色區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度為拉應(yīng)力，藍(lán)色區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。有限元模型焊縫中間區(qū)域應(yīng)力數(shù)值較大并且在一定范圍內(nèi)數(shù)值穩(wěn)定，存在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)?？拷寮膬啥丝v向殘余應(yīng)力會(huì)逐漸減小，存在一個(gè)過渡區(qū)。從縱向看，對(duì)接焊縫的縱向殘余應(yīng)力大小不完全相同。在對(duì)接焊縫的中間區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力較大并且都是拉應(yīng)力，其數(shù)值大于材料的屈服強(qiáng)度，從中間區(qū)域到端板兩側(cè)殘余應(yīng)力逐漸減小。從橫向看，縱向殘余應(yīng)力逐漸減小由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。模型的最大殘余應(yīng)力是674 MPa，出現(xiàn)在蓋板對(duì)接焊縫中間區(qū)域。從圖中可以看到，在沿焊縫長度的中間位置，大約200 mm內(nèi)，焊縫周圍的縱向殘余應(yīng)力都是屈服強(qiáng)度以上，縱向殘余應(yīng)力范圍從360 MPa到674 MPa。紅色區(qū)域表示包含了焊縫部分和從焊趾開始到距離焊趾8 mm的區(qū)域。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 箱型結(jié)構(gòu)試樣的制造

為使測(cè)量結(jié)果更加接近于工程實(shí)際，箱型結(jié)構(gòu)試樣的制造按照實(shí)際生產(chǎn)所使用的工藝參數(shù)進(jìn)行。試驗(yàn)材料使用與轉(zhuǎn)向架HXD3D一致的鋼材Q345E，鋼板厚度為12 mm。試樣由一個(gè)U型彎板（200 mm×100 mm×12 mm），一個(gè)對(duì)接蓋板（300 mm×250 mm×12 mm）及六個(gè)厚度為12 mm肋板組成，試樣形式及尺寸如圖4所示。

同期生產(chǎn)9個(gè)相同試樣（3個(gè)試樣備用），記為#A1-1,#A1-2,#A1-3；#B1-1,#B1-2,#B1-3；#C1-1,#C1-2,#C1-3；#D1-1,#D1-2,#D1-3；此9個(gè)試樣由一個(gè)人焊接，以保持焊接一致性。焊接此焊縫時(shí)，不要用任何夾具。對(duì)接接頭試板采用MAG多層焊焊接工藝，以80%Ar+20%CO2混合氣體為保護(hù)氣體，采用φ1.2 mm規(guī)格的NiCu1－IG焊絲，對(duì)接試板規(guī)格為250mm×150mm×12mm，采用單面焊雙面成形焊接，開V形坡口，坡口角度為15°，根部間隙為8 mm，鈍邊為0 mm。參照EN1011-2標(biāo)準(zhǔn)和工廠提供的焊接工藝規(guī)程，確定工藝參數(shù)如表2所示。

圖4 試件形式及尺寸

表2 MAG焊接工藝參數(shù)

3.2 箱型結(jié)構(gòu)試樣的殘余應(yīng)力測(cè)量

用盲孔法測(cè)量蓋板正面焊趾處的殘余應(yīng)力。把沿焊縫方向的距焊趾最近的一條不間斷的直線選作測(cè)量線，并記錄距離焊趾處的距離用z表示。結(jié)構(gòu)的對(duì)稱軸與之前確定的測(cè)量線的交點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，再以基準(zhǔn)點(diǎn)為準(zhǔn)，根據(jù)具體距離要求在測(cè)量線上標(biāo)示出測(cè)量點(diǎn)。標(biāo)號(hào)順序沿x軸正方向。測(cè)量點(diǎn)距離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離用x表示。對(duì)每個(gè)試樣選取4個(gè)測(cè)量點(diǎn)w1、w2、w3、w4。w1、w3距離基準(zhǔn)點(diǎn)20mm，w2、w4距離基準(zhǔn)點(diǎn)60 mm，如圖5所示。所以對(duì)于9個(gè)試樣來說，一共有36個(gè)測(cè)量點(diǎn)。將測(cè)試點(diǎn)局部進(jìn)行打磨-拋光至平整、光亮，然后用4%（V/V）的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在焊趾、焊縫部位清晰顯示后，用分析醇級(jí)的乙醇溶液清洗干凈后，再用冷風(fēng)吹干，最后用游標(biāo)卡尺測(cè)量測(cè)試點(diǎn)距焊趾的位置，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

圖5 測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量線

比較測(cè)量值，試樣的縱向殘余應(yīng)力的分布大約從400 MPa到700 MPa，平均應(yīng)力為552.58 MPa。橫向應(yīng)力的分布大約100 MPa到500 MPa，平均應(yīng)力為285.14 MPa?？傮w上，測(cè)得的縱向應(yīng)力的離散度較小，橫向應(yīng)力的離散度較大。所以分析將以縱向應(yīng)力為主。

3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

w1、w3距離基準(zhǔn)點(diǎn)20 mm，w2、w4距離測(cè)量點(diǎn)60 mm，實(shí)際測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)距離焊趾距離范圍是1 mm到4 mm，讀取有限元模型中距焊趾1 mm和4 mm節(jié)點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力，與w1、w2、w3、w4的測(cè)量值進(jìn)行比較，縱坐標(biāo)是縱向殘余應(yīng)力的大小，橫坐標(biāo)是距離基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，如圖6所示。

圖6 仿真值和測(cè)量值對(duì)比

在圖6中可以看出，測(cè)量點(diǎn)w1、w2、w3、w4的測(cè)量值基本是在仿真值的范圍左右，離散度不大。在w1、w3的縱向殘余應(yīng)力仿真值中，最大值是585.26 MPa，最小值是560.88 MPa，平均值是576.07 MPa。在w2、w4的縱向殘余應(yīng)力仿真值中，最大值是590.00 MPa，最小值是568.9 MPa，平均值是579.52 MPa。w1、w3測(cè)量點(diǎn)的平均縱向殘余應(yīng)力值是560.17 MPa與仿真得到縱向殘余應(yīng)力576.07 MPa相比，誤差為2.84%。w2、w4測(cè)量點(diǎn)的平均縱向殘余應(yīng)力值是545.00 MPa與仿真得到縱向殘余應(yīng)力579.52 MPa相比，誤差為6.33%。仿真值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,這證明了所建立的有限元模型仿真分析的有效性。仿真結(jié)果存在誤差一定主要原因是在測(cè)量焊接應(yīng)力時(shí)存在測(cè)量誤差；其次，材料各向異性也是產(chǎn)生仿真誤差的原因之一。在距基準(zhǔn)點(diǎn)0～80 mm范圍內(nèi)，距離焊趾1 mm節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力仿真值和距離焊趾4 mm節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力仿真值兩者的數(shù)值大小十分接近并且都大于屈服強(qiáng)度，這一區(qū)域數(shù)值較大且穩(wěn)定，隨著距離基準(zhǔn)點(diǎn)距離變大縱向殘余應(yīng)力逐漸變小，存在一個(gè)過渡區(qū)，這符合縱向殘余應(yīng)力的理論分布。本文對(duì)箱式結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的仿真方法計(jì)算時(shí)間短并且通用性強(qiáng)，快速有效，

4 結(jié) 論

通過以上對(duì)箱形結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量與仿真研究分析，可以得出以下結(jié)論:1）靠近焊縫垂直于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力大，遠(yuǎn)離焊縫的地方小;2）垂直于焊縫的方向，從焊縫處到遠(yuǎn)離焊縫，殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力;3）通過仿真可以較準(zhǔn)確反映殘余應(yīng)力的分布規(guī)律;4）測(cè)量的殘余應(yīng)力的的平均值與通過有限元仿真得到的數(shù)值兩者相似;5）本文對(duì)箱式結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的仿真方法計(jì)算時(shí)間短并且通用性強(qiáng)，快速有效。