焊點強度快速評估方法及應用

趙文平，張冠蘭，劉東亮，高曉霞

(1.中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心，河北 唐山063035；2.中車唐山機車車輛有限公司 轉向架技術中心，河北 唐山063035；3.中車唐山機車車輛有限公司 技術研究中心，河北 唐山063035)*

不銹鋼車體以強度重量比高、耐腐蝕性能好、使用壽命長、安全性高和維修量少等優點，越來越受到青睞，目前已經在國內外的城軌車輛中得到廣泛的應用.鑒于不銹鋼材料的焊接特性，特別是表面不涂裝的軌道車輛對焊接表面成型的特殊要求，焊接變形小、焊后表面美觀且無需打磨的電阻點焊成為不銹鋼車輛最適合的焊接工藝[1].不銹鋼點焊車體是典型的薄壁筒形點傳力結構，由焊點連接的薄板部件少則2層，多則4～5層，外載荷通過數萬個焊點傳遞車體運行中的復雜載荷，那么焊點的強度至關重要，直接影響車體的安全性.因此，設計階段的焊點強度評估對不銹鋼車體設計具有重要意義.

目前，針對不銹鋼車體的焊點研究主要集中在焊點的數值模擬方法、布局優化、點焊工藝和力學性能等方面[2-6].涉及焊點強度評估的研究較少，謝素明等采用等效結構應力法分析了不銹鋼車體點焊接頭的疲勞壽命[7]；程亞軍等基于標準和點焊接頭的試驗數據對車體焊點進行了靜強度和疲勞強度評估[8]；智鵬鵬等根據可靠性理論考慮車體設計中的不確定因素進行了焊點強度分析[9].而這些研究都是利用有限元方法進行數值分析獲得焊點受力，再結合焊點強度評估方法，通過excel等工具列表或圖形方式展示焊點強度評估結果數據.常規操作過程是在有限元后處理中逐一焊點組提取焊點力，導出數據后再運算評估焊點強度，而且焊點分析結果也不能一目了然地關聯到其所在的車體位置.要查看某一區域的焊點結果，需要按照評估結果中的模擬焊點的單元編號反查有限元模型以確定位置，面對車體成千上萬的焊點，這種處理方式繁瑣、耗時，且可能因操作不當造成人為錯誤.因此，如何簡化操作步驟，實現焊點的快速評估及結果的直觀展示成為有待解決的問題之一.

鑒于此，本文研究了一種基于Hyperworks和ANSYS結果文件的聯合二次開發程序，通過程序化方法實現了不銹鋼車體焊點強度的自動快速評估及直觀顯示，降低了焊點強度分析的工作量，且可以將焊點強度計算結果以利用率云圖形式顯示，增加了可視性及可查閱性.

1 焊點強度評估方法

英國標準EN15085-3：2007和美國標準AWS C1.1M/C1.1-2012均推薦使用焊點的最小剪切力評價焊點強度.焊點的最小剪切力取決于焊點直徑和被連接層板的抗拉強度，而焊點直徑與層板的板厚有關.金屬的抗拉強度范圍和板厚相同時，焊點的直徑越大，焊點強度越高；金屬的抗拉強度范圍和焊點直徑相同時，板厚越大，焊點強度越高；板厚和焊核直徑相同時，金屬的抗拉強度范圍越高，焊點強度越高.當幾種不同抗拉強度的材料或不同板厚組合時，焊點強度選取各種組合中的最小值.確定焊點直徑的原則：在焊接2層不同板厚的材料時取薄板的厚度，3層及以上組焊則取外側薄板的厚度.

焊點強度性能需要依據相關標準或試驗數據.標準EN15085-3和AWS C1.1M/C1.1對焊點的最小剪切力均有要求，但給出的板厚范圍有限，且EN15085-3中提供的板材的抗拉強度范圍較小.當標準不能作為參考依據時，有必要通過對焊點接頭試樣進行試驗獲得數據.為了固化成果及便于應用，可將焊點接頭強度性能數據編制成數據庫.

利用有限元方法進行車體性能數值分析時，點焊車體的有限元模型中一般采用梁單元模擬焊點接頭.大型通用有限元分析軟件ANSYS中對Beam188梁單元的定義如圖 1所示，該單元主要受軸向力Fx和剪切力Sy、Sz.那么，進行焊點強度評估的根本就是將梁單元的合成剪切力與許用值比較，具體計算過程如下：

(1)根據有限元計算結果提取焊點的剪切力Sy、Sz；

圖1 Beam188 單元示意圖

2 焊點強度快速評估工具的二次開發

2.1 開發程序工作流程

本文中有限元分析使用Hyperworks軟件進行模型前、后處理，ANSYS軟件進行計算求解.有限元分析流程為：采用Hypermesh軟件建立有限元模型，設置各種計算工況的邊界條件，輸出可供ANSYS識別的CDB計算文件，使用ANSYS軟件計算后得到RST結果文件；再通過開發的焊點強度快速評估程序得到焊點強度分析結果；利用Hyperview軟件讀取，就可以生成焊點強度分析結果云圖，增加了后處理的直觀性.

焊點強度評估高效性及可視化的核心是根據需求編寫二次開發程序.圖 2展示了焊點強度快速評估開發程序的工作框架.編程的輸入文件分別是：結果文件(RST文件)，用于提取焊點單元的受力；有限元模型文件(HM文件)，用于提取焊點單元編號和焊點接頭分組情況；焊點接頭強度數據庫文件，用于提供焊點接頭的強度極限值.程序工作過程和中間數據的傳遞過程具體如下：建立有限元模型時，按照焊點接頭強度數據庫中的類型將焊點接頭分組存放；通過單元類型和名稱識別焊點單元及分組信息， 然后根據焊點組單元信息在RST文件中提取剪切力，計算合成剪力；依據焊點分組信息在焊點接頭強度數據庫中選擇合適的類型，計算焊點的許用應力；最后計算焊點的利用率，并輸出可識別的云圖格式文件，查看分析結果并進行判斷，如果利用率滿足設計要求，即可結束，反之需要優化設計.

圖2 開發程序工作流程

2.2 二次開發的技術實現

本文研究的目的是通過程序實現焊點強度評估過程的自動化及結果的云圖可視化.按照上述工作流程，運用Tcl語言和APDL語言相結合，編制了焊點評估過程對應的宏文件，實現了開發目的.

(1)Tcl語言程序

Tcl(Tool Command Language)是一種可嵌入的命令腳本語言，具有開發快速、無需編譯、功能強度且簡單易學的特點.Hypermesh自帶Tcl語言的解釋器，并建立了該語言的函數數據庫，運行時可以調出Command Window實時地進行編輯[10].

通過編寫Tcl腳本程序，在Hypermesh軟件中依靠組件的名稱識別有限元模型中的焊點組，這就要求建立有限元模型時規范命名.運行后輸出2個文件：包含焊點單元編號、焊點組編號、焊點個數的焊點組單元信息文件和包含焊點組編號、焊點接頭類型編號的焊點分組信息文件.

(2)APDL語言程序

APDL是ANSYS參數化設計語言，可以用來自動完成某些通用性強的任務或專用程序，包含豐富的控制結構命令，如訪問ANSYS有限元數據庫、分支、循環及標量、向量、矩陣運算等.利用APDL程序語言可以實現批處理分析，極大的提高分析效率[11].

編寫APDL語言程序實現對ANSYS結果文件(RST文件)的數據處理.調用焊點單元信息文件，按照單元編號在ANSYS中提取梁單元的剪切力；調用焊點分組信息文件在焊點強度數據庫中選取合適的焊點接頭強度值；計算合成剪力、利用率，輸出處理后的結果文件.

3 應用案例

不銹鋼點焊車由車頂、側墻、底架和端墻4部分組成，車體上的板梁部件主要采用殼單元Shell181模擬，焊點通過梁單元Beam188模擬，車載設備采用質量單元Mass21形式施加，并通過剛性元連接到相應位置.有限元模型如圖3所示，離散后的單元總數為1236700個，節點總數為1249733個，其中模擬焊點的梁單元有63737個.車體采用S301L系列不銹鋼，基于美國標準AWS C1.1不銹鋼材質焊點設計要求，表1列出了該車體靜強度工況下焊點評估時的許用剪切力.

(a)車體有限元模型

表1 不銹鋼車體焊點的許用剪切力

以車體垂向載荷工況為例進行焊點強度分析.根據EN12663標準，車體垂向載荷工況為1.3*(整備狀態下車體自重+載重AW3)*g，在空氣彈簧處施加約束，得到ANSYS計算結果文件.

啟動焊點強度分析程序，從有限元模型中得到所有焊點各組單元信息，如圖4所示，展示了其中一組焊點信息情況，通過程序得到了焊點分組編號、焊點分組名稱、焊點個數及焊點單元編號，利用這些信息在ANSYS結果文件中提取梁單元的剪切力，結合焊點接頭強度數據庫，計算焊點的利用率，并將結果輸出.按照評估程序進行參數設置、計算，自動輸出計算結果，再使用Hyperview后處理軟件以云圖形式顯示計算結果，可以一目了然地看出各部位焊點利用率分布情況，也可以直接鎖定關注區域，對結果進行拾取、篩選等相關操作詳細查看.圖5展示了不銹鋼車體焊點強度利用率計算結果，可以看出：垂載工況下，整車焊點強度的最大利用率為0.91，滿足設計要求.圖6展示了車頂上的焊點強度利用率，直觀可見利用率偏低，結果篩選后發現只有高低頂過渡處邊緣的15個焊點利用率高于0.5，該工況下車頂焊點可適當優化.

圖4 車體焊點組單元信息

圖5 不銹鋼車體焊點利用率云圖

圖6 車頂區域焊點利用率云圖

4 結論

(1)基于有限元方法和軟件二次開發功能，運用腳本語言編制了焊點強度評估程序，并利用該程序對某不銹鋼車體的焊點靜強度進行評估.結果表明：該車體的焊點強度利用率小于1，滿足設計要求；且焊點強度計算結果以云圖形式顯示，使得數據分析直觀方便，實現了焊點強度評估結果的可視化；

(2)開發程序簡化了操作步驟，提高了工作效率，同時進一步實現了：建模標準化，為了識別焊點信息，需要統一有限元模型中的命名標準，從而提高了模型的可讀性；評估方法流程化，固化企業成果、工程師經驗等；評估過程簡易化，降低對使用者的要求，減少出錯幾率.使用這種焊點強度評估程序尤其有利于設計方案比選時的快速校驗.