某車體側(cè)墻立柱焊接過程CAE仿真研究

滿春水 李曉東 衷 揚 李龍飛 李文娟 石 磊

（南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

目前，CAE（計算機輔助工程）的研究已經(jīng)在制造業(yè)推廣，在影響CAE技術發(fā)展的諸多因素中，人才、計算機硬件和分析軟件是三個最主要的方面，現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，已經(jīng)為CAE技術奠定了良好的硬件基礎。多年來，重視CAE技術人才的培養(yǎng)和分析軟件的開發(fā)和推廣應用，發(fā)達國家不僅在科技界，而且在工程界，已經(jīng)具有一支較強的掌握CAE技術的人才隊伍，同時在分析軟件的開發(fā)和應用方面也達到了較高水平。

焊接技術是現(xiàn)代制造業(yè)中最有效、應用最廣泛的連接方法，廣泛應用于軌道車輛、船舶、航空航天等制造工程領域。在焊接過程中，由于其不均勻的加熱及冷卻過程，焊接結構焊后存在著不可避免的焊接殘余應力和變形。特別是對于大型結構而言，結構尺寸大，形狀復雜，焊縫總長度長，焊后殘余應力、變形情況更為復雜，對制造精度及使用性能的影響更為顯著，裝備制造業(yè)為國民經(jīng)濟各行業(yè)提供技術裝備，產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度高、吸納就業(yè)能力強，是各行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現(xiàn)。最近幾年，我國的制造業(yè)發(fā)展速度快，重大技術裝備自主化水平顯著提高，已經(jīng)成長為裝備制造業(yè)大國。然而產(chǎn)業(yè)大而不強，高新技術與傳統(tǒng)裝備工業(yè)改造結合不夠，裝備制造業(yè)信息化程度、自動化程度不高。對于鋁合金車體而言，由于鋁合金具有導熱率大、熱膨脹系數(shù)大等特性，其焊接結構焊接殘余應力、變形更為顯著，因此對鋁合金車體的焊接變形控制也成為亟待解決的問題。

焊接數(shù)值模擬技術充分利用現(xiàn)代計算機技術和高性能計算技術，通過建立精確的數(shù)學物理模型，數(shù)字化再現(xiàn)焊接過程，可有效地實現(xiàn)對復雜或不可觀察現(xiàn)象的定量分析。應用數(shù)值模擬技術為實際焊接生產(chǎn)提供全面的參考數(shù)據(jù)和可行性理論支持，為控制焊接變形提供了一個很好的方法，是提高焊接技術科學性的有效工具。

有限元法求解焊接問題就是通過軟件內(nèi)置的一系列的假設和近似，獲得了微分方程（或積分方程）及相應的定解條件，并預期在某一連續(xù)空間和時間內(nèi)求解這組方程后，微分方程（或積分方程）的解等價于物理解。由于微分方程求解存在數(shù)學上的困難，所以采用時間和空間離散的方法，將微分方程組及其定解條件轉(zhuǎn)化為一個超大型的代數(shù)方程組，并預期求解這個代數(shù)方程組后，代數(shù)方程組的解等價于微分方程的解。

焊接變形預測對焊接結構的生產(chǎn)和使用具有重要意義，進行焊接變形準確預測較為困難。焊接變形預測的理論依據(jù)主要有解析法、基于彈性有限元的固有應變法，焊接熱彈塑性有限元法、粘彈塑性有限元法、建立在實驗和統(tǒng)計基礎之上的經(jīng)驗公式等。解析法以焊接熱傳導理論、結構力學理論、殘余塑變理論或彎曲理論為基礎，能夠確定一些較為簡單的焊接變形。對于復雜構件，利用解析法求解則非常困難。

本文使用ABAQUS軟件，模擬了車體側(cè)墻邊梁立柱焊接這一典型焊接結構，對計算結果和試驗結果進行對比，為不同焊接結構計算分析選擇適用方法提供了參考。并對其溫度場分布進行了模擬。本研究利用現(xiàn)有車體側(cè)墻焊接結構的焊接試驗，以及大型商用有限元軟件ABAQUS的模擬，完成了焊接試驗及計算機仿真，進行了多區(qū)域網(wǎng)格劃分、焊接溫度場分析、焊接變形過程再現(xiàn)、現(xiàn)車焊接試驗、焊接熱輸入量預測，尋求材料可能的極限服役狀態(tài)，而對已有的先進材料也必須預設典型的服役環(huán)境，推演其可能的焊接行為。

1 數(shù)值模擬方法

本文利用大型商用有限元軟件ABAQUS，完成車體側(cè)墻立柱結構的焊接過程的計算機仿真，并跟蹤側(cè)墻制造過程，在現(xiàn)車上進行了焊接試驗，對焊接過程進行分析，調(diào)整和優(yōu)化了焊接工藝。

1.1 側(cè)墻結構的描述

鋁合金車體側(cè)墻是鋁合金車體的一部分，主要由邊梁和立柱拼焊而成，側(cè)墻作為支撐結構，對車體平穩(wěn)性具有重大影響，其關鍵點為立柱與邊梁的組焊。

1.2 試驗模型的選擇

本文為真實再現(xiàn)某鋁合金車體側(cè)墻的實際試驗工況，建立了側(cè)墻部件的整體模型，試樣重點提取了側(cè)墻邊梁、立柱間的焊縫，其真實結構得到還原，如圖1所示，能夠更有效地從焊接接頭層面上分析焊接的過程。

圖1 側(cè)墻結構圖

1.3 試驗物理現(xiàn)象描述

本文以鋁合金車體側(cè)墻結構為研究對象，應用雙橢球熱源模擬的方法，對其進行焊接變形數(shù)值模擬，分析了其焊接特征。并通過改變焊接方向、焊接順序，對比改變前后變形情況，對鋁合金車體側(cè)墻結構的焊接過程進行工藝優(yōu)化。本文具體研究內(nèi)容包括：

（1）建立車體側(cè)墻結構的焊接溫度場計算有限元模型，并對其進行模擬計算。

（2）結合實際工業(yè)生產(chǎn)時的卡具條件，建立了車體側(cè)墻結構焊接變形的熱彈塑性有限元分析模型，并使用雙橢球熱源法對其進行模擬計算，對焊接情況進行對比分析，總結了其分布規(guī)律及特征。

（3）通過改變焊接方向和順序以及改變熱輸入量，提出合理可行優(yōu)化方案，并按照提出的方案分別對車體側(cè)墻結構焊接變形進行模擬計算，將其模擬結構進行了比較，分析了各方案對焊接質(zhì)量的影響，選擇了最優(yōu)方案。

分析主要針對邊梁、立柱焊接過程，如圖2所示。

圖2 焊縫狀態(tài)圖

2 焊接試驗的熱源模型描述

焊接熱源模型包括高斯熱源模型、雙橢球熱源模型和半球狀熱源模型，高斯熱源模型是溫度在等直徑圓范圍內(nèi)，溫度高低是按高斯曲線分布的，一般用于手工電弧焊、鎢極氬弧焊的計算中。半球狀熱源模型一般用于高能束焊等的計算中，本文涉及到的焊接使用傳統(tǒng)MIG焊焊接，熱源模型選擇雙橢球熱源模型，考慮到熱源移動時熱流分布的影響，熱源前后方分布方式不同。雙橢球熱源模型一般用于MIG焊等穿透能力強的計算中，模型如圖3所示。

圖3 雙橢球熱源狀態(tài)圖

3 焊接仿真、變形測試過程描述

本文針對鋁合金車體側(cè)墻采用仿真和工藝驗證的方法同時進行，以普通PC機為首選軟件平臺，并且采用傳統(tǒng)的手工焊接進行焊接試驗，采取了一系列針對性的技術進步措施，發(fā)展出針對車體其部件焊接行為的“焊接工藝仿真、熱輸入量預設、過程模擬、行為計算、現(xiàn)象表征、優(yōu)化方案”手段。

3.1 側(cè)墻焊接仿真有限元模型

根據(jù)現(xiàn)有焊接工藝，建立帶工裝夾具側(cè)墻模型進行焊接仿真試驗，預測出各工況下的焊接變形，對比分析后實現(xiàn)對側(cè)墻焊接試驗的工藝模擬，試驗采用雙橢球熱源模型進行加載。

記錄不同工況下的焊接質(zhì)量，預設焊接熱輸入量以及預設的熱輸入量對焊接質(zhì)量的影響，真實再現(xiàn)了側(cè)墻立柱MIG焊焊接全過程，側(cè)墻邊梁、立柱有限元模型及分析結果如圖4和圖5所示。

圖4 側(cè)墻有限元模型

圖5 側(cè)墻焊接熱流分布圖

3.2 鋁合金車體側(cè)墻焊接試驗

本文焊接側(cè)墻邊梁和立柱，母材為某型號鋁合金，焊接接頭采用角接，焊接位置PB，鋁合金的化學活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且多具難熔性質(zhì)，鋁及其合金導熱性強，焊接時容易造成不融合現(xiàn)象，同時氧化膜可以吸收很大水分，常常成為焊縫氣孔的重要原因之一，再者，鋁及鋁合金的熱導率大，導熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)是鋼的3倍，因此對于焊接相同厚度的鋁合金和鋼，鋁合金焊接需要的熱量更大，而且會有嚴重的扭曲變形和較高的殘余應力。

本文進行的焊接試驗，通過以下方面減少了焊接缺陷：

（1）避免電流太小或焊速過快（線能量不夠）。

（2）避免電流太大，使焊條大半根發(fā)紅而熔化太快，母材還未到熔化溫度便覆蓋上去。

（3）避免坡口有油污、銹蝕。

（4）避免焊件散熱速度太快，或起焊處溫度低。

（5）避免操作不當或磁偏吹，焊條偏弧等。

圖6 現(xiàn)車試驗焊縫

3.3 鋁合金車體側(cè)墻焊接試驗調(diào)試結果

根據(jù)焊接仿真試驗及現(xiàn)車焊接試驗，最終得到優(yōu)化的工藝方案，對比和試驗的方案如表1所示。

表1 工藝方案對比焊接質(zhì)量

結果顯示，按照工藝6的數(shù)值進行預置，依據(jù)EN910（金屬材料焊縫破壞性試驗-彎曲試驗）、EN1320（金屬材料焊縫破壞性試驗-斷裂試驗）對調(diào)整焊接工藝的接頭進行力學性能測試，其結果滿足產(chǎn)品技術要求，依照工藝6進行焊接的焊縫的焊接質(zhì)量最佳。

4 結果與討論

本文利用大型商用有限元軟件ABAQUS，采用有限元方法和實驗驗證的方法針對某鋁合金車體側(cè)墻在焊接過程中熱循環(huán)行為進行了預測，在焊接電流和焊接電壓兩個層面，加以對比分析，通過試驗和計算結果我們可以發(fā)現(xiàn)，仿真試驗很大程度上提高了焊接試驗的效率，將CAE分析與車體制造工藝同時作為研究對象完全可以實現(xiàn)，尤其是在焊接制造工藝方面，CAE仿真分析得到了充分運用。

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