箱形結構的焊接殘余應力仿真研究

高宗凱， 聶春戈， 俞壯壯

（大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028）

0 引言

鐵路車輛的轉向架側架是一個箱型結構[1]，本文使用可以反映出轉向架典型焊接接頭和真實約束度的箱形結構作為實驗試樣。對箱型結構的有限元分析結果和殘余應力的測量結果的對比分析，可以為準確預測轉向架焊接殘余應力與變形提供理論與實際依據。

關于焊接應力和變形的數值模擬[2-4]這一問題國內外都已經有不少研究。S.R.Daniewicz首先通過實驗的方法測量了船體結構焊縫的固有收縮量，又將測量得到的固有收縮量作為初始條件施加到了船體結構的有限元模型上，進行了船體結構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如何提高解的準確度和收斂性，并且提出了新的有限元計算方法，運用汪建華提出的方法可以計算出焊接接頭的應力集中系數。針對各種焊接接頭形式，汪建華又分別提出了不同的計算機焊接傳熱程序[7]，對不同厚板在焊接時的焊接殘余應力是否有分布規律也進行了研究。

本文使用可以反映出轉向架典型焊接接頭和真實約束度的箱形結構作為實驗試樣。對箱型結構試樣使用盲孔法進行殘余應力測試。對箱型結構試樣的有限元模型使用溫度應力順序耦合法進行殘余應力仿真預測，具體方法是把焊縫區域溫度升高到焊接時的溫度，其余部分保持室溫，再讓模型冷卻到室溫，得到溫度場，從而得到冷卻后的殘余應力場和塑性應變場。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溫度場，但計算時間短并且通用性強，更加快速有效。結果表明，仿真計算結果與實測結果相比，數值有一些差別，但變化趨勢、數量級接近。

1 理論分析

在制造生產鐵路車輛的車體、轉向架等核心部件時，焊接技術被廣泛運用。在鐵路車輛實際運行中，鐵路車輛結構的可靠性和安全服役性與焊接殘余應力有著密切的聯系。因此，如何準確預測接殘余應力與變形，是一個具有重要工程價值的問題。

焊接殘余應力產生的根本原因是焊接區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，實際測量和數值計算來確定殘余應力。對接接頭厚度方向的殘余應力與對接接頭的厚度大小有關。當對接接頭的厚度小于20 mm時我們將忽視厚度方向的殘余應力，只考慮對接接頭結構的縱向殘余應力和橫向殘余應力。把平行于焊縫軸線方向的應力叫做縱向殘余應力，通常用符號σx表示。把垂直于焊縫軸線的應力叫做橫向殘余應力，通常用符號σy表示。一條焊縫上的縱向殘余應力都是拉應力，但是縱向殘余應力的大小不完全相同。如圖1（a），對接焊縫的中間區域縱向殘余應力數值較大并且在一定范圍內數值穩定，存在一個穩定區。在板件的兩端縱向殘余應力逐漸減小，存在一個過渡區。縱向殘余應力沿垂直焊縫方向的方向不相同，如圖1（b）。焊縫附近為拉應力，離焊縫較遠的區域為壓應力。在焊接時對接焊縫及其及其附近塑性區的縱向收縮將會引起橫向應力σy′，焊縫及其附近塑性區的橫向收縮引起的橫向應力σy″。σy′與σy″組成了橫向殘余應力σy。縱向殘余應力在焊縫區域為拉應力，板件的兩側為壓應力，會使焊縫一邊產生壓縮變形的趨勢，無焊縫一邊產生伸長變形的趨勢。焊縫及其附近塑性區會產生縱向收縮，因為板件要保持原來的形狀，所以板件焊縫的兩端區域存在著壓應力，在板件焊縫的中心區域應力是拉應力。同時焊縫中心區域的拉應力比板件焊縫兩端區域的壓應力小很多，如圖1（c）。σy″的分布規律與焊接的方向有關。焊縫在焊接后會橫向收縮，實際生產中一條焊縫無法同時完成，先焊接處的焊縫相對于后焊接處的焊縫會先冷卻。橫向應力σy″是由于先冷卻的焊縫限制后冷卻焊縫的橫向收縮而產生的。先焊的部分σy″為壓應力，后焊的部分σy″為拉應力。

圖1 殘余應力的分布

2 箱型結構有限元模型的殘余應力分析

箱式結構試樣由一個U型彎板（200 mm×100 mm×12 mm），一個對接蓋板（300 mm×250 mm×12 mm）及六個厚度為12 mm肋板組成。整個箱型結構左右對稱，為了減小計算規模和提高計算效率，有限元模型為實際模型的二分之一。應用HyperMesh軟件劃分網格，有限元模型由六面體實體單元組成,焊縫和焊縫周圍的網格細化，網格寬1~2 mm。有限元模型的單元總數為35 802；節點總數為43 891，3D實體有限元模型請如圖2所示。圖2中藍色是焊縫部分。

查找相關資料[8-9]，確定箱型結構有限元模型的熱物理和力學特性如表1所示。

圖2 3D實體有限元模型

表1 箱型結構有限元模型的熱物理和力學特性

將HyperMesh中建立的箱式結構有限元模型導入Abaqus中，箱型結構有限元模型的殘余應力分析使用的是順序耦合熱應力分析法，具體方法是首先設置整個模型的初始溫度為20℃，再令焊縫區域溫度升高到1700℃，其余區域的溫度仍保持20℃，再讓模型冷卻到室溫20℃。這樣我們可以得到相應的溫度場。然后再將得到的溫度場作為熱應力分析的已知條件，得到箱型結構焊接后的應力應變場，整個計算過程在Abaqus中實現。運行有限元程序，得到的縱向應力云圖如圖3所示。

圖3 縱向殘余應力分布

在圖3中紅色區域的縱向殘余應力大于材料的屈服強度為拉應力，藍色區域為壓應力。有限元模型焊縫中間區域應力數值較大并且在一定范圍內數值穩定，存在一個穩定區。靠近板件的兩端縱向殘余應力會逐漸減小，存在一個過渡區。從縱向看，對接焊縫的縱向殘余應力大小不完全相同。在對接焊縫的中間區域，縱向殘余應力較大并且都是拉應力，其數值大于材料的屈服強度，從中間區域到端板兩側殘余應力逐漸減小。從橫向看，縱向殘余應力逐漸減小由拉應力變為壓應力。模型的最大殘余應力是674 MPa，出現在蓋板對接焊縫中間區域。從圖中可以看到，在沿焊縫長度的中間位置，大約200 mm內，焊縫周圍的縱向殘余應力都是屈服強度以上，縱向殘余應力范圍從360 MPa到674 MPa。紅色區域表示包含了焊縫部分和從焊趾開始到距離焊趾8 mm的區域。

3 試驗驗證

3.1 箱型結構試樣的制造

為使測量結果更加接近于工程實際，箱型結構試樣的制造按照實際生產所使用的工藝參數進行。試驗材料使用與轉向架HXD3D一致的鋼材Q345E，鋼板厚度為12 mm。試樣由一個U型彎板（200 mm×100 mm×12 mm），一個對接蓋板（300 mm×250 mm×12 mm）及六個厚度為12 mm肋板組成，試樣形式及尺寸如圖4所示。

同期生產9個相同試樣（3個試樣備用），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個試樣由一個人焊接，以保持焊接一致性。焊接此焊縫時，不要用任何夾具。對接接頭試板采用MAG多層焊焊接工藝，以80%Ar+20%CO2混合氣體為保護氣體，采用φ1.2 mm規格的NiCu1－IG焊絲，對接試板規格為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標準和工廠提供的焊接工藝規程，確定工藝參數如表2所示。

圖4 試件形式及尺寸

表2 MAG焊接工藝參數

3.2 箱型結構試樣的殘余應力測量

用盲孔法測量蓋板正面焊趾處的殘余應力。把沿焊縫方向的距焊趾最近的一條不間斷的直線選作測量線，并記錄距離焊趾處的距離用z表示。結構的對稱軸與之前確定的測量線的交點作為基準點，再以基準點為準，根據具體距離要求在測量線上標示出測量點。標號順序沿x軸正方向。測量點距離基準點的距離用x表示。對每個試樣選取4個測量點w1、w2、w3、w4。w1、w3距離基準點20mm，w2、w4距離基準點60 mm，如圖5所示。所以對于9個試樣來說，一共有36個測量點。將測試點局部進行打磨-拋光至平整、光亮，然后用4%（V/V）的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在焊趾、焊縫部位清晰顯示后，用分析醇級的乙醇溶液清洗干凈后，再用冷風吹干，最后用游標卡尺測量測試點距焊趾的位置，對測量點進行測量。

圖5 測量點和測量線

比較測量值，試樣的縱向殘余應力的分布大約從400 MPa到700 MPa，平均應力為552.58 MPa。橫向應力的分布大約100 MPa到500 MPa，平均應力為285.14 MPa。總體上，測得的縱向應力的離散度較小，橫向應力的離散度較大。所以分析將以縱向應力為主。

3.3 數據對比分析

w1、w3距離基準點20 mm，w2、w4距離測量點60 mm，實際測量的測量點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節點的縱向殘余應力，與w1、w2、w3、w4的測量值進行比較，縱坐標是縱向殘余應力的大小，橫坐標是距離基準點的距離，如圖6所示。

圖6 仿真值和測量值對比

在圖6中可以看出，測量點w1、w2、w3、w4的測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測量點的平均縱向殘余應力值是560.17 MPa與仿真得到縱向殘余應力576.07 MPa相比，誤差為2.84%。w2、w4測量點的平均縱向殘余應力值是545.00 MPa與仿真得到縱向殘余應力579.52 MPa相比，誤差為6.33%。仿真值與實驗結果基本吻合,這證明了所建立的有限元模型仿真分析的有效性。仿真結果存在誤差一定主要原因是在測量焊接應力時存在測量誤差；其次，材料各向異性也是產生仿真誤差的原因之一。在距基準點0～80 mm范圍內，距離焊趾1 mm節點的殘余應力仿真值和距離焊趾4 mm節點的殘余應力仿真值兩者的數值大小十分接近并且都大于屈服強度，這一區域數值較大且穩定，隨著距離基準點距離變大縱向殘余應力逐漸變小，存在一個過渡區，這符合縱向殘余應力的理論分布。本文對箱式結構焊接殘余應力的仿真方法計算時間短并且通用性強，快速有效，

4 結 論

通過以上對箱形結構的焊接殘余應力測量與仿真研究分析，可以得出以下結論:1）靠近焊縫垂直于焊縫方向的縱向殘余應力大，遠離焊縫的地方小;2）垂直于焊縫的方向，從焊縫處到遠離焊縫，殘余應力從拉應力變為壓應力;3）通過仿真可以較準確反映殘余應力的分布規律;4）測量的殘余應力的的平均值與通過有限元仿真得到的數值兩者相似;5）本文對箱式結構焊接殘余應力的仿真方法計算時間短并且通用性強，快速有效。