淺談某型號(hào)叉車車架焊接變形場數(shù)值模擬研究

林秀菊

摘 要：要想提高產(chǎn)品精準(zhǔn)度，縮小生產(chǎn)成本必須合理把握好叉車車架焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形。現(xiàn)階段，火焰加熱矯正和變形矯正便是叉車車架焊接變形最常見的手法，這增加了成本費(fèi)用，而且延長了制作周期。車架焊接結(jié)構(gòu)流程復(fù)雜，需要通過工藝生產(chǎn)試驗(yàn)來不斷優(yōu)化和改造技術(shù)，這是一項(xiàng)十分耗時(shí)、耗力的工程，檢測大型機(jī)構(gòu)尺寸也是一個(gè)特別復(fù)雜的事情。因此，可以對(duì)某型叉車結(jié)構(gòu)劃分有限元網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)串熱源移動(dòng)模型模擬焊接熱場。本文主要研究了某型號(hào)叉車車架焊接變形場數(shù)值。

關(guān)鍵詞：叉車車架;焊接變形;數(shù)值;模擬研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.005

1 叉車車架焊接變形的發(fā)展歷程

整個(gè)車型框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性、制造工藝的合理性和使用結(jié)構(gòu)的可靠性均受叉車車輛焊接構(gòu)架的焊接變形力度。現(xiàn)階段整體退火和矯正變形是避免制造焊接構(gòu)架時(shí)的焊接變形。為了縮短生產(chǎn)時(shí)間、降低生產(chǎn)成本，可以使用數(shù)值方法模擬焊接構(gòu)架的焊接過程，優(yōu)化其焊接步驟，針對(duì)不同的方法，選定合適的焊接順序，焊接試驗(yàn)充分考慮到樣機(jī)，準(zhǔn)確計(jì)算其結(jié)果。認(rèn)識(shí)其基本變化規(guī)律，便能科學(xué)制定焊接工藝，提高焊接水平。

丹麥人于1962年使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用有限差分法傳熱計(jì)算鑄件凝固過程，更多的國家于70年代進(jìn)入研究行列，實(shí)現(xiàn)從逐步鑄造到鍛壓、熱處理、焊接的過程，我國焊接界模擬數(shù)值興起于80年代初，越來越多的個(gè)人和科研單位投入到這項(xiàng)項(xiàng)目研究中，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

孫凱使用ESI公司專用焊接軟件SYSWELD實(shí)現(xiàn)K7轉(zhuǎn)向副構(gòu)架，具體分析各項(xiàng)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)從K7向架副構(gòu)架三維幾何模型的轉(zhuǎn)變，將網(wǎng)絡(luò)模型區(qū)分開來，配備好熱源參數(shù)。具體生產(chǎn)經(jīng)營過程中，可以模擬使用四種焊接方法，比對(duì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其焊接工藝便能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)吻和和焊接殘余力的相互融合。譚兵可以使用SYSWELD焊接軟件夾持5mm厚度的L型鋁合金角皆接頭激光—模擬MIG復(fù)合熱源焊接變形，比較實(shí)際的焊接結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：要想模擬L形角接接頭激光可以使用MIG復(fù)合焊，實(shí)際變形和模擬結(jié)構(gòu)偏差數(shù)值為10%，室溫時(shí)可以卸下焊縫冷卻和夾持近焊縫處，這樣便于控制L形鋁合金激光結(jié)構(gòu)—MIG焊接復(fù)合變形。

2 焊接熱變形場數(shù)字模擬

2.1 數(shù)字模型簡化與網(wǎng)格劃分

叉車設(shè)計(jì)部門繪制三維軟件可以應(yīng)用叉車部件三維數(shù)據(jù)，將IGES文件格式導(dǎo)出來，CAD模型一般不會(huì)分析CAE的需求，要想聯(lián)系這些人可以通過這種渠道來實(shí)現(xiàn)，實(shí)體建模時(shí)可以使用DesignModeler全參數(shù)設(shè)計(jì)，便能實(shí)現(xiàn)ANSYS15.0Workbench，這種方法可以計(jì)算出具體的建模功能，可以及時(shí)創(chuàng)建具體模型，修復(fù)和導(dǎo)入CAD模型，創(chuàng)建和簡化CAD模型，下面便是叉車部件三維數(shù)模。

積極分析各種焊接問題，集體選中各種模型，便能組成一個(gè)全新的零件，這樣便能共享焊縫出節(jié)點(diǎn)，調(diào)節(jié)應(yīng)力結(jié)果和溫度。具體計(jì)算時(shí)可以使用串熱源模型，可以分段焊接，三維幾何模型中的焊縫所在自然段便是一條焊縫，具體分段焊縫時(shí)其長度為50mm。

獨(dú)立分片算法和協(xié)調(diào)分片算法均屬于Workbench有限元網(wǎng)格算法。邊界考慮零件實(shí)體和協(xié)調(diào)分片算法的分片面的互相影響都能使用小公差，這適用于幾何體的小特征。為了減少單元樹木，方便提取荷載和小特征可以使用虛擬拓?fù)涔ぞ呦拗品艑挿制＊?dú)立算法分片不夠嚴(yán)格時(shí)，可以使用統(tǒng)一尺寸的網(wǎng)格。協(xié)調(diào)分片算法便是車架部件網(wǎng)格算法，分析此種模型發(fā)現(xiàn)，其底板厚度為30mm，為了確保計(jì)算精準(zhǔn)度，可以采用高階單元算法。厚度至少為2層網(wǎng)格，全局單元尺寸大概為15mm，網(wǎng)格類型的單元類型主要以六面體為主導(dǎo)，可以使用四面體單元填充內(nèi)部。網(wǎng)格單元數(shù)為27000，節(jié)點(diǎn)數(shù)為11000。

2.2 材料模型研究

焊接過程中模擬數(shù)值和計(jì)算過程受焊接物理性能和力學(xué)性能的影響，這直接影響著模擬的精準(zhǔn)度，Q235直接組成了結(jié)構(gòu)件材料，輸入的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)和溫度密切相關(guān)。具體包括熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、泊松比、比熱容、屈服極限、彈性模量等多個(gè)方面。然后模擬三維數(shù)值時(shí)假設(shè)材料高溫性能，隨手翻閱材料工程手冊，便能查看參數(shù)溫度變化曲線，然后選擇主要數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.3 焊接串熱源模型研究

目前高斯熱源模型需要以熱流密度沿加熱中心的半徑方向，這種弧焊熱輸入方法模型可以有效模擬溫度場，進(jìn)而得到較好的應(yīng)變數(shù)值、應(yīng)力結(jié)果。這種模型需要?jiǎng)澐殖龊缚p附近區(qū)域的網(wǎng)格，花費(fèi)大量的時(shí)間迭代計(jì)算，計(jì)算數(shù)量特別大，如果實(shí)際構(gòu)件工藝優(yōu)化使用高斯熱源模型差距很大。

最理想的熱輸出方法便是點(diǎn)熱源模型，通過反應(yīng)空間中無尺寸的幾何點(diǎn)便能反應(yīng)出熱功率的大小。點(diǎn)熱源模型可以替換掉段熱源模型，直接形成一串點(diǎn)熱源。既能減少計(jì)算數(shù)量，同時(shí)方便其使用功能。段熱源模型被點(diǎn)熱源模型取代，便能形成串熱源模型。描述串熱源需要具體考慮節(jié)點(diǎn)輸入加熱時(shí)間和熱功率大小。施加點(diǎn)熱源要考慮其節(jié)點(diǎn)需求，不限制節(jié)點(diǎn)所在面的方向和形狀。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊添加位置，排除運(yùn)用子程序這種操作步驟。

首先，考慮熱源集中系數(shù)K和斑點(diǎn)中心最大熱流Qm，則有下面的公式。

其次，考慮段熱源的基礎(chǔ)上，焊縫加熱長度d，施加單位時(shí)間的熱量為：

加熱時(shí)間為：

3 計(jì)算結(jié)果與誤差分析

變形場、應(yīng)力場、計(jì)算溫度場都能收斂，分析計(jì)算結(jié)果后便能進(jìn)行處理。焊接過程云圖，指定于某種篇幅，本文主要羅列了變形場、殘余應(yīng)力、焊接溫度場的分布。

3.1 溫度分布

總體來說結(jié)束車架部件焊接后，其溫度場分布在附近周圍，離焊縫地區(qū)遠(yuǎn)的地方溫度較低，焊縫附近的溫度較高。整個(gè)系統(tǒng)最高溫度為9400℃，最低溫度為37℃，普遍高于室溫。

3.2 形變與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際焊接過程中，底板可以平放在地面上，及時(shí)加固各板件進(jìn)行點(diǎn)，然后焊接逐條焊縫。結(jié)束焊接后，可以直接測量平板2和平板1的具體舉例，測量平板2和平板1邊緣紅線的具體點(diǎn)位。結(jié)束測量后發(fā)現(xiàn)平板2和平板1之間變化了0.5mm。如圖1。

依據(jù)具體實(shí)際的焊接測量結(jié)果，部件結(jié)構(gòu)變形圖可以用網(wǎng)格方法顯示，直接測量出具體焊接時(shí)兩條線的距離。比對(duì)實(shí)際測量結(jié)果與距離，這種比較十分可靠。本文使用的算法和焊接計(jì)算模型十分可靠，可以運(yùn)用此種方法優(yōu)化車架焊接順序。下圖便是實(shí)驗(yàn)測試變形和計(jì)算變形的比較（如圖2所示）。

焊接變形和實(shí)際測驗(yàn)結(jié)果是一樣的，不僅改變了某個(gè)方向的位置，實(shí)際改變了三個(gè)方向位置的移動(dòng)，便能實(shí)現(xiàn)真正的變形。經(jīng)過分析研究后發(fā)現(xiàn)：焊縫遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)位置移動(dòng)較遠(yuǎn)，焊縫周圍節(jié)點(diǎn)位移較小，焊接變形節(jié)點(diǎn)的位置移動(dòng)為1.5mm左右。

3.3 焊接余熱應(yīng)力分布

結(jié)束焊接后車架部件的殘余應(yīng)力最大應(yīng)力為8GPa，0.2GPa是其最小應(yīng)力。基于此種背景，焊縫附近應(yīng)力水平比較高。材料屈服應(yīng)力小于其應(yīng)力水平，材料便進(jìn)入了塑性材料，遠(yuǎn)離焊縫處便處于低應(yīng)力水平。

4 結(jié)語

變形場、應(yīng)力場、叉車結(jié)構(gòu)的焊接溫度場都可以通過計(jì)算模擬數(shù)值得到。就溫度場來說，焊縫周圍溫度特別高，離焊縫地區(qū)較遠(yuǎn)的地方溫度比較低。整個(gè)系統(tǒng)最高溫度為9400℃，最低溫度為37℃，略高于室溫。應(yīng)力場上焊縫周圍應(yīng)力水平較高，材料屈服應(yīng)力低于應(yīng)力水平。就變形場而言，比對(duì)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，兩者誤差為11%，低于規(guī)定誤差15%。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐剛.某型號(hào)叉車車架焊接變形場數(shù)值模擬研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2017.