機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁焊接變形的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)比較

渠源 高燚

(南車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南株洲 412001)

機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁焊接變形的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)比較

渠源 高燚

(南車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南株洲 412001)

機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架大多采用焊接結(jié)構(gòu),由不同尺寸,不同形狀的箱型結(jié)構(gòu)梁構(gòu)成。由于焊接過程中急劇地非平衡加熱及冷卻,將不可避免地產(chǎn)生不可忽視的焊接殘余變形,這將影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性。本文使用morfeo焊接模擬軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行了瞬態(tài)模擬,計(jì)算了焊接變形,并結(jié)合實(shí)際測(cè)試進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)際基本一致,使用數(shù)值模擬的方法在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中可以起到指導(dǎo)作用。

轉(zhuǎn)向架 構(gòu)架 焊接數(shù)值模擬 morfeo

轉(zhuǎn)向架是機(jī)車的關(guān)鍵部件，構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架主要承載結(jié)構(gòu)，其焊接變形直接影響到轉(zhuǎn)向架整體質(zhì)量及機(jī)車運(yùn)行的安全性。如何在焊接過程中減小和控制焊接變形，是一個(gè)亟待解決的工程問題。特別是隨著制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊接變形控制的要求越來越嚴(yán)格?？茖W(xué)地、定量地預(yù)測(cè)焊接變形影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上給予最優(yōu)控制，采取有針對(duì)性措施控制或消除焊接殘余變形，這不僅對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接本身，而且對(duì)其它焊接構(gòu)件的完整性設(shè)計(jì)和制造工藝方法的選擇，以及運(yùn)行中的安全評(píng)定都具有重要的理論價(jià)值與工程意義。通過選擇最佳的焊接工藝措施，例如施加焊接變形補(bǔ)償余量、調(diào)整焊接溫度場(chǎng)以及采用合理的工裝夾具，是控制焊接變形的最有效的方法[1]。本文中采用morfeo焊接模擬軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了焊接模擬。Morfeo軟件可以考慮焊接材料，焊接參數(shù)，環(huán)境溫度，焊接順序，焊接速度，焊接位置和工裝夾具對(duì)焊接過程造成的影響，分析對(duì)焊接變形影響較大的因素，通過調(diào)整各種工藝參數(shù)使變形最小，達(dá)到優(yōu)化工藝的目的。

1 大型結(jié)構(gòu)焊接模擬計(jì)算

對(duì)于轉(zhuǎn)向架等大型焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫往往具有多層多道的特點(diǎn)，焊接工藝本身也是較為復(fù)雜的非線性問題，材料的溫度變化范圍大，使計(jì)算過程中不可避免地遇到計(jì)算規(guī)模大、求解困難等問題，所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

1.1 熱源校核

在焊接有限元模擬中，熱源相當(dāng)于實(shí)際的焊槍輸出能量，熱源的建立及校核非常重要。雖然模擬軟件都會(huì)提供熱源模型(如高斯，雙橢球等)，但是實(shí)際的參數(shù)必須針對(duì)各種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬校核，以實(shí)驗(yàn)為校核依據(jù)，保證焊接工藝計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1.2 求解計(jì)算

在有限元領(lǐng)域，焊接過程的熱-機(jī)耦合物理行為的數(shù)值模擬難度最大。這些復(fù)雜物理行為的數(shù)值模擬，需要高端計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)算，來提高計(jì)算速度。目前也有采用其他方法對(duì)焊接模擬進(jìn)行簡化計(jì)算，如固有應(yīng)變法和局部整體法。但是對(duì)于精確結(jié)構(gòu)的求解計(jì)算來講，這些簡化方法有些不能滿足實(shí)際的需要。因此，使用并行技術(shù)來求解瞬態(tài)問題是比較好的方法。

2 焊接模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格要求

機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁實(shí)際生產(chǎn)照片如（圖1）。

圖1 機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁

由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁結(jié)構(gòu)和焊接工藝都是對(duì)稱的，所以采用了對(duì)稱分析，這樣可以大大減少計(jì)算量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格模型要求節(jié)點(diǎn)全部對(duì)應(yīng)，盡量使用六面體單元，焊接位置網(wǎng)格進(jìn)行密集劃分，同時(shí)考慮網(wǎng)格之間的過渡。

2.2 建立模擬

溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型為：

溫度T(x，y，z，t)作為空間坐標(biāo)(x，y，z)與時(shí)間t的函數(shù)，在區(qū)域Ω中的任一點(diǎn)均應(yīng)滿足下面所示的微分方程式：

式中：T為溫度，(K)；t為時(shí)間(s)；ρ為密度(kg/m3)；k為熱導(dǎo)率(W/(m·K))；為區(qū)域Ω中的熱源(W/m3)；cp為比定壓熱容(J/(kg·K))。

在區(qū)域Ω的邊界上等溫邊界條件為：

熱流和換熱邊界條件為：

式中：n為邊界表面外法線方向；為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，(W/(m2·K))，Ta為周圍介質(zhì)溫度(K)；q為單位面積上的外部輸入熱流量(W/ m2)。

焊接方法為：MAG，富氬氣體保護(hù)焊，采用機(jī)器手自動(dòng)焊。

熱源的模型采用經(jīng)典的雙橢球熱源模型。

通過與實(shí)際對(duì)比，確定了焊接模擬參數(shù)，用于后續(xù)的焊接模擬計(jì)算。

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁焊接零部件材料為16MnDR，在焊接模擬中，材料的溫度變化比較劇烈，溫度變化范圍大，要準(zhǔn)確模擬焊接過程，材料各種屬性都要包括從低溫到高溫下的一系列參數(shù)。

圖2 側(cè)梁組焊變形

整體焊接順序?yàn)椋?1)組焊下蓋板，四條對(duì)接焊縫每條焊四層，依次交替焊接；(2)內(nèi)部焊縫焊接，由組裝定位焊好的立板隔板與下蓋板組裝后，手工焊接側(cè)梁內(nèi)部角焊縫，先從中間向兩邊依次焊接各隔板與下蓋板的角接焊縫，再轉(zhuǎn)動(dòng)工裝從中間向兩邊先后焊接兩立板與下蓋板的角接焊縫，組裝上蓋板，焊接兩對(duì)接焊縫；(3)側(cè)梁體上機(jī)器手焊接主焊縫，每條從中間向兩邊分三層焊，先焊接立板與上蓋板的兩條角接焊縫，再焊立板與下蓋板的角接焊縫，整體按打底—中間層—蓋面順序進(jìn)行。

邊界條件分為兩種，熱邊界條件和應(yīng)力邊界條件。熱邊界條件為與空氣的熱傳導(dǎo)和輻射。環(huán)境溫度為4～12℃。

3 求解結(jié)果與實(shí)測(cè)

3.1 模擬求解

根據(jù)第2步設(shè)置完焊接條件后，對(duì)各焊接線設(shè)定好焊接順序，即可計(jì)算得到相關(guān)的結(jié)果。由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁尺寸大，焊縫多，焊縫總長度長，相應(yīng)需要的計(jì)算資源比較大，需要采用并行計(jì)算的方式。

按照實(shí)際焊接的順序進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果變形如(圖2)。

3.2 實(shí)測(cè)比較

對(duì)各工序的實(shí)際模擬與變形比較，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)際較為接近，能夠反應(yīng)出焊接過程的變形。下面(表1)列舉側(cè)梁總體組裝的焊接變形模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的比較。(單位mm)

表1 側(cè)梁總體組裝變形的模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

4 結(jié)語

通過上面的分析，我們可以得出如下結(jié)論：(1)焊接模擬軟件可以考慮焊接工藝及焊接參數(shù)對(duì)焊接過程造成的影響。(2)焊接變形模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果基本符合，能夠再現(xiàn)和反應(yīng)實(shí)際焊接過程。(3)可以通過模擬的方法對(duì)實(shí)際焊接過程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為預(yù)測(cè)、控制和提高焊接構(gòu)架質(zhì)量提供有效途徑，為新產(chǎn)品的焊接工藝放量和工裝夾具設(shè)計(jì)以及焊接參數(shù)、焊接順序等工藝因素的制定提供理論依據(jù)，也可以為其他焊接零件提供參考，整體提高焊接工藝水平。

[1]汪建華.焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2003．

[2]張文鉞.焊接傳熱學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]Morfeo使用手冊(cè)2013.比利時(shí)GEONX公司.