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（中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)作為高速動車組的核心技術(shù)之一，是車輛高速穩(wěn)定安全運行的基本保障，而作為高速轉(zhuǎn)向架支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)架，其組焊工藝和變形控制技術(shù)又是高速轉(zhuǎn)向架的核心技術(shù)。對于高速動車組而言，車體和轉(zhuǎn)向架的基本骨架均是焊接而成，焊接技術(shù)在軌道車輛領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在通過焊接連接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的同時，焊接受熱所帶來的變形也是不容忽視的。

高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接過程中，局部快速加熱及冷卻會產(chǎn)生不可忽視的焊接變形，這是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素，必須增加附加工序，矯正變形[1]。技術(shù)上通常采用的矯正方法，如熱調(diào)修不但增加時間、工時成本，而且可能帶來安全隱患。借助先進的數(shù)值仿真技術(shù)與手段，實現(xiàn)焊接變形準確預(yù)測，可降低確定工藝參數(shù)所需試驗成本，縮短生產(chǎn)試制周期；同時可通過焊接過程仿真，為減小、控制焊接變形提供量化數(shù)據(jù)依據(jù)[2-3]。

本研究通過對高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接過程的仿真，研究不同工裝壓卡、不同焊接順序條件下焊接變形的分布規(guī)律，通過對計算數(shù)據(jù)的充分分析，為確定合理的工裝以及焊接變形控制方法提供理論和數(shù)據(jù)支撐依據(jù)，為構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、焊接工藝設(shè)計提供有力支持。

1 焊接仿真方案

1.1 焊接順序定義

為方便地描述焊接順序及工裝等應(yīng)用情況，將高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架組成的四端分別定義為A、B、C、D 端，如圖 1所示。

圖1 構(gòu)架組成模型中位置的定義

擬研究兩種焊接順序方案。

（1）焊接順序一：按照X型排列焊接順序，即D→A→C→B（X字形焊接）。

（2）焊接順序二：按照Z型排列焊接順序，即B→D→A→C（Z字形焊接）。

1.2 構(gòu)架組成焊接工裝分類

構(gòu)架組成焊接工裝形式分為兩種。其中，焊接工裝一固定壓緊橫梁管，如圖2所示；焊接工裝二如圖3所示，該工裝為固定構(gòu)架側(cè)梁四個帽筒位置。

圖2 構(gòu)架組成焊接工裝一

圖3 構(gòu)架組成焊接工裝二

1.3 焊接仿真方案

由上述分析可知，共進行兩種焊接順序、兩種工裝方案下的構(gòu)架組成焊接變形仿真計算。采用交叉組合的方式，共設(shè)定4種仿真方案，如表1所示。

表1 焊接仿真方案選項

2 構(gòu)架組成焊接仿真的建模

2.1 仿真模型的建立

構(gòu)架組成的焊接仿真目的是研究不同焊接順序?qū)?gòu)架焊接變形的影響。主要仿真內(nèi)容是橫梁管與橫向止檔的組焊，以及橫向止檔與制動橫梁組成之間的組焊，如圖4所示。從其焊縫分布的特點可以看出，該組焊過程的仿真，是適合于采用實體-殼單元混合模型進行建模的。

基于Visual Mesh建立構(gòu)架的有限元網(wǎng)格模型，共建立單元282858個，其中實體單元182826，殼單元96 003個（包括實體上建立的散熱單元65 610個），單元節(jié)點230 330個。對所有的散熱單元均進行了合理的法向定義或調(diào)整。

2.2 仿真約束條件的建立

根據(jù)對實際工裝應(yīng)用情況的分析，設(shè)置焊接工裝一相應(yīng)的約束條件如圖5所示，即在橫梁的齒輪箱側(cè)四個位置分別設(shè)置限制三個方向位移的約束。

與焊接工裝二相應(yīng)的約束條件定義，如圖6所示，即分別在四個帽筒的位置定義三個方向的約束。為焊接仿真結(jié)束構(gòu)架釋放時的約束條件定義如圖7所示。共采用三個點來定義釋放時的約束，這三個點分別選在冒筒位置的對稱點上，其中一個固定點用以限制構(gòu)架釋放時的剛性位移，另外兩點定分別允許構(gòu)架可以橫向和縱向收縮。

圖4 構(gòu)架組成焊接的網(wǎng)格模型

圖5 焊接工裝一的約束示意

圖6 焊接工裝二的約束示意

3 仿真結(jié)果分析

基于Sysweld焊接仿真平臺，分別對四種方案下構(gòu)架組成的焊接情況進行了仿真計算。下面對四種方案下構(gòu)架焊接釋放后的變形情況進行對比分析，以確定所選的合理方案。

圖7 焊接后釋放時約束示意

3.1 變形情況分析

冷卻和釋放完成后，各方案整體變形情況分別如圖8～圖11的變形云圖所示。

圖8 方案一整體變形云圖

圖9 方案二整體變形云圖

由以上四種方案整體變形圖可以看出：最大變形位置基本相同，其中方案三變形最大且最大值為2.25mm，方案二變形最小其最大變形量為1.063mm。通過方案一與方案二、方案三與方案四對比發(fā)現(xiàn)，采用工裝二（固定冒口位置）可以減小焊接整體變形。

3.2 構(gòu)架組成變形點

各端選取8個點為變形測量點如圖12所示。

3.3 各測量點變形情況

（1）X向變形（側(cè)梁方向）。

各點沿X方向焊接變形數(shù)據(jù)如表2所示。

方案一和方案二在X方向的變形量要小于方案三和方案四，說明焊序一在控制X向變形上優(yōu)于焊序二。方案二變形量小于方案一，方案四變形量小于方案三，說明工裝二在控制X向變形方面優(yōu)于工裝一。

圖10 方案三整體變形云圖

圖11 方案四整體變形云圖

圖12 測量點位置

表2 沿X方向焊接變形數(shù)據(jù) mm

（2）Y向變形（垂直于構(gòu)架平面的方向）

按上述統(tǒng)計方法得到各點沿Y方向焊接變形數(shù)據(jù)，分析表明方案三和方案四在Y方向的變形量要遠小于方案一和方案二，說明焊序二在控制Y向變形上優(yōu)于焊序一，即采用焊序二的表面平整度較好。

（3）Z向變形（橫梁的方向）

按上述統(tǒng)計方法得到各點沿Z方向焊接變形數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)可知，在A、B、C三位置的Z向變形上，方案一和方案二的變形量要小于方案三和方案四，表明在上述位置焊接順序一所引起的Z向變形要小于焊接順序二。D位置上，方案一和方案二向Z負方向變形，方案三和方案四向Z正方向變形。方案二Z向變形量少于方案一，方案四Z向變形量少于方案三，表明工裝二比工裝一在減少Z向變形量上更有優(yōu)勢。

5 結(jié)論

通過對高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接過程仿真，研究不同工裝壓卡下、不同焊接順序條件下焊接變形的分布規(guī)律，通過對計算數(shù)據(jù)的充分分析，得到以下結(jié)論：

（1）焊接順序會對焊接變形產(chǎn)生影響，在本次焊接仿真中，采用焊接順序一（即按照X型排列焊接順序）時，產(chǎn)生的橫向和縱向焊接變形較小；采用焊接順序二（即按照Z型排列焊接順序），焊后構(gòu)架表面平整度較好。

（2）工裝壓卡型式會對焊接變形產(chǎn)生影響，在本次焊接仿真中，工裝二（固定側(cè)梁帽筒）相較工裝一（固定橫梁）可減小橫向和縱向的變形量。

以上分析結(jié)果對確定合理的工裝結(jié)構(gòu)、焊接工件的變形控制方法提供理論和數(shù)據(jù)支撐依據(jù)，為高速動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、焊接工藝設(shè)計以及產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提升提供有益的支持。

[1]汪建華.焊接變形和殘余應(yīng)力預(yù)測理論與計算——發(fā)展及應(yīng)用前景[R].上海：proceedingsofthe第三屆計算機在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會，2000[C].

[2]A Bachorski，MJ Painter，AJ Smailes，et al.Finite-Element Prediction of Deformation during Gas Metal Arc Welding Usingthe Shrinkage Volume Approach[J].Journal of Materials Processing Technology，1999（92/93）：405-414.

[3]K Masubuchi.Analysis of Welded Structures[M].Pergamon press，1980.