基于固有應變法的轉向架橫梁焊接變形模擬

梁 勇，陳 鵬，徐紫薇，朱忠尹

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

基于固有應變法的轉向架橫梁焊接變形模擬

梁 勇，陳 鵬，徐紫薇，朱忠尹

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

本研究使用固有應變法，在SYSWELD中對轉向架橫梁在3種不同焊接順序方案下的變形進行數值模擬。模擬得到不同順序方案下各方向上的變形，并分析橫梁腹板端部的變形和彎曲。結果表明，使用固有應變法能夠對大型構件進行焊接模擬；不同順序下的焊接變形趨勢一致，但在不同位置上不同方向的變形不相同；優化焊接順序，可以減小變形和彎曲。

SYSWELD；固有應變；焊接順序；變形

0 前言

在焊接過程中，由于不均勻的溫度場會導致焊接變形，給產品的生產和使用帶來問題。若僅依靠實驗或理論分析的方法，在對大型構件進行研究時，會造成時間消耗長，成本投入大等問題。這種情況下，引入焊接數值模擬方法研究焊接變形，可以大大降低研究的成本投入，在大型構件殘余應力和變形的研究中具有相當的優勢和重要意義[1]。

在小型構件焊接模擬中，一般采用熱彈塑性理論。然而，在大型構件的模擬中，由于有限元模型單元和節點數多，導致計算量過大，甚至計算不收斂。針對這種情況，本研究采用固有應變法對轉向架橫梁焊接變形進行數值模擬，即將瞬態熱彈塑性分析轉化為靜態純彈性力學問題，可以大大地減少數值模擬的時間，并且其結果具有一定的精確性[2]。

1 固有應變法

固有應變由日本學者上田幸雄等提出，包括塑性應變、熱應變和相變應變，可以看作焊接應力和應變產生的根本原因[3]，其表達式為

式中 εP為塑性應變；εT為熱應變；εX為相變應變。

在焊接過程中，熱應變會隨著焊接過程完成后溫度的降低而消失。所以，焊接完成后的固有應變值為ε*=εP+εX，即塑性應變和相變應變之和[4]。其中，影響焊接變形的主要因素是橫向固有應變和縱向固有應變，單位長度上的橫向和縱向固有應變的總和分別是Wx和Wy，計算公式為

式中 K和ξ都是比例系數，和板厚h、偏心距e有關[5]。通過查閱文獻，計算得到K=8.6×10-7cm3/J，ξ= 2.8×10-6cm3/J。

2 模型建立

轉向架橫梁主要由上蓋板、下蓋板、4塊內外腹板、4塊立板、6塊筋板、2塊加強彎板焊接而成，如圖1所示。本研究使用Visual-Mesh劃分網格，為了獲得更準確的結果且提高計算效率，對焊縫處單元網格進行細分，大小約2 mm，放大遠離焊縫部位單元，大小約20 mm，得到單元208 439個，節點314 804個，再導入SYSWELD中進行計算。在橫梁端部所取的4個節點并施加約束，網格模型如圖2所示。

圖1 轉向架橫梁構成示意

圖2 橫梁網格模型

3 焊接順序對橫梁變形的數值模擬

在焊接過程中，焊接順序不同對構件產生的拘束力不同，導致產生的焊接變形不同。橫梁焊縫總共80余條，在此選取對橫梁變形影響較大的32條長直焊縫進行研究，分別設計了3種不同的焊接順序方案進行模擬，其他焊縫焊接順序不變。焊接順序按焊縫編號由小到大進行，順序方案1和2的焊接順序分別如圖3和圖4所示，方案3是將方案1中編號為41，42，43，44的焊縫放到編號為64焊縫之后焊接。

圖3 方案1的焊接順序

在三種不同的焊接順序下進行焊接模擬計算，得到的均向焊接變形云圖如圖5所示。

由變形云圖可知，不同順序均向變形分布差別很小，都在橫梁邊緣變形較大。同時，可由X、Y和Z向變形云圖得知，三種方案下焊接變形趨勢一致，X方向最大變形位于橫梁邊緣區域；Y方向最大變形位于立板中心區域；Z方向最大變形位于內腹板端頭。

圖4 方案2的焊接順序

通過提取4個節點各方向上的變形，比較得知X向變形相對于Y向和Z向較小，且位于橫梁邊緣的非裝配位置，可忽略不計。在此把對后續裝配影響較大的Y向和Z向變形作為研究重點。節點1和4的Y向變形之和與節點2和3的Y向變形之和取平均值，得到橫梁在Y向收縮變形；節點1和2的Z向變形之和與節點3和4的Z向變形之和取平均值，得到橫梁在Z向收縮變形；節點1和2的均向變形值取平均值，得到橫梁Y向彎曲變形；節點1和4的均向變形值取平均值，得到橫梁Z向彎曲變形。3種方案下的變形量如表1所示。

由表1可知，焊接順序對橫梁變形影響較明顯，焊接順序引起變形波動最大為Z向彎曲，變化率為16.21%。順序3的Y、Z向收縮變形和彎曲最大，順序1的焊接Y、Z向收縮變形和彎曲最小。綜合考慮，順序1最為合理。

圖5 橫梁均向焊接變形云圖

表1 不同焊接順序下的焊接變形

4 結論

（1）采用固有應變法可以實現對大型構件進行焊接模擬。

（2）均向和X向變形較大的區域主要分布在橫梁邊緣；Y向最大變形位于立板中心區域；Z向最大變形位于內腹板端頭。

（3）轉向架橫梁焊接變形主要在Y向和Z向。

（4）焊接順序1產生的收縮變形和彎曲最小。

[1] 蔡志鵬.大型結構焊接變形數值模擬的研究與應用[D].北京：清華大學，2001.

[2] 董航海，劉建華，杜漢斌，等.焊接應力應變與變形的數值研究進展[J].電焊機，2003，33（9）：15-17.

[3]Ueda Y，Kim Y C，Yuan M G.A prediction method of welding residual stress using source of residual stress（Report I）-Characte-ristics of inherent strain（source of residual stress）[J].J Trans.Of JWRI，1989，18（1）：135-141.

[4] 汪建華，陸皓.焊接殘余應力形成機制與消除原理若干問題的討論[J].焊接學報，2002（3）：75-79.

[5] 李婭娜.焊接變形預測與控制的數值方法研究及工程應用[D].大連：大連交通大學，2010.

Numerical simulation of welding deformation of bogie beam based on inherent strain method

LIANG Yong，CHEN Peng，XU Ziwei，ZHU Zhongyin
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In this paper，the deformation of the bogie beam under three different welding sequences are simulated by using the inherent strain method in SYSWELD.After the simulation,the deformations in all directions in different sequences are got，and the deformation and bend at the end of the beam web are analyzed.The results show that the welding stimulation can be performed on the large components by using inherent strain method；the tendency of welding deformation in different sequences is consistent，but in different locations，the deformations in different directions are not the same；Welding sequence can be optimized to reduce the deformation and the bend.

SYSWELD；the inherent strain；welding sequence；deformation

TG404

：A

：1001-2303（2015）10-0120-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.26

2015-03-25

梁 勇（1990—），男，四川瀘州人，在讀碩士，主要從事焊接結構及數值模擬研究。