不銹鋼車頂結構焊接變形的數值模擬及試驗研究

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(中車南京浦鎮車輛有限公司,江蘇 南京 210031)

0 前言

城軌車頂屬于薄板構件長程焊接結構，其變形是影響車體整體服役性能的關鍵因素[1-2]。對大型車頂構件進行全面的變形測量難度大、成本高，且需要在焊后實施，無法對工藝進行改進。同時，車頂選用不銹鋼作為主體材料，因不銹鋼線膨脹系數大、導熱系數小，易出現難以控制的焊接變形，降低焊接接頭質量[3-5]。采用數值模擬的方式對變形進行預測，進而優化焊接工藝，成為目前焊接大型車頂結構件控制變形的主要手段，也是目前國內外學者關注的一大研究熱點[6-8]。因此，通過數值模擬的方法，探索不銹鋼車頂骨架結構焊接變形規律，并且與實際焊接效果進行對比，分析模擬變形預測的精度。

1 固有應變模型的建立

1.1 固有應變網格

出口某國的地鐵3號線車頂結構尺寸為21.60 m×2.76 m×0.55 m，車體材料為X2CrNiN18-7不銹鋼。采用Hypermesh網格劃分工具對結構進行網格劃分，圖1為車頂整體結構網格剖分示意圖，網格總單元數為94 734，節點數136 786。采用過渡型網格剖分方法，使焊縫區的小尺寸網格與遠離焊縫區的大尺寸網格之間實現平滑過渡。

圖1 車頂結構網格部分

1.2 邊界條件

根據車頂焊接過程中的實際裝夾位置，在Weld Planner軟件中設置相應的夾持，如圖2所示，圖中邊梁處標出的位置即為設置的約束。

采用常用的熱邊界條件設置方法，構件同空氣接觸界面為熱對流界面條件，單元之間采用熱傳導界面條件。利用自編程的固有應變求解器Weld Planner進行求解計算。

圖2 力邊界條件設置

2 變形測量方法

該地鐵選用KmpArc-450 脈沖焊機實施MIG焊焊接工藝。根據對地鐵車頂結構的分析可以看出，車頂的結構尺寸較大，幾何形狀復雜。同時，考慮到車間生產線實際情況，測量環境也十分復雜，對測量設備的要求較高。綜合各種因素，測量設備采用三維光柵式測量儀，測量示意如圖3所示。

圖3 變形測量示意圖

3 結果與分析

圖4為焊接結束撤掉裝夾后的總體變形模擬結果，紅色區域代表變形較大，藍色區域代表變形較小。從圖4可以看出，受焊接影響，車頂骨架結構兩端出現了較大的變形，主要是由于焊接熱輸入積累效應的影響。

對變形結果進行10倍放大，模擬結果與原有基準模型的對照如圖5所示。其中，彩色部分為原有模型，灰色部分為放大10倍后的模擬結果。通過圖5可以直觀看出車頂焊后變形效果及程度，此種變形對后續的裝配會產生影響。根據現有的矯形工藝對車頂結構兩端采用機械矯形，導致整體結構存在一定的裝配殘余應力。

圖4 車頂結構總變形云圖

圖5 車頂骨架結構變形放大效果圖

由于車頂構件為軸對稱的框型結構，其縱向方向統計實際變形的測量結果，如圖6所示。將焊接過程分為4個階段，即自由變形階段、焊前裝夾后階段、焊后裝夾釋放前階段、焊后裝夾釋放后階段。由圖6可以看出，自由變形階段下的邊梁處于中間拱起兩端下沉的情況，最大變形量約為20 mm，這是車頂結構在重力的影響下發生的自然變形。從焊前裝夾后階段的變形曲線可以看出，邊梁整體上變形不大，基本處于直線狀態，變形幅度在0～20 mm之間。由此可知，在進行裝夾后，車頂結構受重力影響的程度得到改善。焊后裝夾釋放前階段存在中間凸起兩端下沉的變形趨勢，最大變形超過50 mm，且具有明顯的方向性特征，可以認為隨著焊接過程的進行，熱變形不斷積累，造成構件端部變形嚴重。焊后裝夾釋放后階段仍然是中間凸起兩端下沉的變形趨勢，最大變形量超過30 mm，是由于裝夾去除后構件變形有所回彈。由此可以看出，焊接過程中裝夾對變形影響巨大，焊接將使得頂部骨架存在向上撓曲的趨勢，一旦裝夾釋放，將產生明顯的變形。綜合總體變形趨勢可以看出，不同階段變形對總體變形影響不同。

圖6 車頂變形過程測量結果

車頂構件的橫向變形雖然較小，但也是很重要的變形方向，其橫向總體模擬結果與實測結果進行比較，其結果見表1。表1中所示各截面位置如圖7所示。從模擬結果可得到各截面變形量，5號截面為-3.4 mm，7號截面為-0.6 mm，10號截面為-2.0 mm。與實測結果相比，5號截面的變形量為-4.4 mm，絕對誤差為1 mm，相對誤差為22.7%；7號截面的變形量為-0.7 mm，絕對誤差為0.1 mm，相對誤差為14.3%；10號截面的變形量為-2.6 mm，絕對誤差為0.6 mm，相對誤差為23.1%。可以看出，模擬結果與試驗實測結果的誤差約為20%，可以較好的反映變形趨勢，對于此類超長超大構件的變形預測來說，精度已能滿足要求。

表1 焊接前后車頂寬度的橫向變形量(mm)

圖7 變形測量各截面示意圖

4 結論

(1)建立了總長超過20 m的超長軌道車體焊接固有應變模型，實現了超長不銹鋼車體的焊接過程模擬仿真，預測了車頂構件的整體變形。并且，實現了自由變形階段、焊前裝夾后階段、焊后裝夾釋放前階段、焊后裝夾釋放后階段的變形測量，發現在焊后裝夾釋放前階段和焊后裝夾釋放后階段產生了較大的變形。

(2)通過三維光柵式測量儀對超長車體變形進行實測。從實測結果可以看出，車頂構件特征截面位置的橫向變形變化不大，最大變形量僅為4.4 mm。模擬結果與實測結果相比較，其誤差約20%。

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