B型鋁合金地鐵枕梁焊接數(shù)值模擬分析

程虎 沈精虎 戴昆 劉蓉

摘要：? 針對(duì)地鐵枕梁焊接中存在的殘余應(yīng)力對(duì)列車性能和質(zhì)量產(chǎn)生的影響問(wèn)題，本文基于Simufact. welding軟件，對(duì)B型鋁合金地鐵車體底架中的枕梁進(jìn)行焊接數(shù)值模擬分析，對(duì)焊接后的殘余應(yīng)力與變形分布進(jìn)行分析，并對(duì)不同的焊接接頭形式創(chuàng)建不同的熱源模型，對(duì)實(shí)際工況下的多層焊道進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以單層焊道代替多層焊道，得到焊接的熱循環(huán)曲線。同時(shí)，以簡(jiǎn)化處理得到的熱源模型代替常規(guī)的雙橢球熱源模型，對(duì)整個(gè)枕梁進(jìn)行數(shù)值模擬分析。仿真結(jié)果表明，由于焊縫附近位置節(jié)點(diǎn)被約束，當(dāng)焊縫焊接完成，進(jìn)入冷卻過(guò)程時(shí)，焊縫收縮。因遠(yuǎn)離焊縫的枕梁型材中部和弧形板處沒(méi)有約束，因此變形較大。該研究比較準(zhǔn)確地模擬了實(shí)際生產(chǎn)中焊接應(yīng)力的變化情況，為地鐵枕梁的焊接提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：? Simufact.welding; 枕梁; 熱源模型; 熱循環(huán)曲線; 模擬分析

中圖分類號(hào)： TG404文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

作者簡(jiǎn)介：? 程虎（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹附臃抡娣治觥?/p>

通信作者：? 沈精虎（1965-），男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM技術(shù)。 Email： postmaster@laohu.net

地鐵屬于城市軌道交通的一部分，但與城市道路基本沒(méi)有交叉，其具有速度快、運(yùn)能大和時(shí)間準(zhǔn)[1]的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，列車速度不斷提升，其安全性、可靠性、舒適性等問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注[23]。為提高列車的行進(jìn)速度，增大載客能力，提高車輛行駛的安全性，降低制造和運(yùn)營(yíng)成本，地鐵輕量化是一種行之有效的措施[4]。目前，我國(guó)地鐵普遍采用鋁合金車體，鋁的密度約為碳鋼的1/3，與不銹鋼車體相比，鋁合金車體的自重一般可減少30%～40%[56]。國(guó)內(nèi)的鋁合金系主要有1000系純鋁系、2000系鋁銅系、3000系鋁錳系、4000系鋁硅系、5000系鋁鎂系、6000系鋁硅鎂系、7000系鋁鋅鎂系和以其他元素為主的8000系[7]。其中，6000系鋁硅鎂合金是國(guó)內(nèi)鋁合金牌號(hào)中的鍛鋁合金，具有良好的抗腐蝕性能和焊接性能，可熱處理強(qiáng)化，無(wú)應(yīng)力腐蝕傾向，具有極佳的壓力加工成型性[8]。由于有限元仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于焊接問(wèn)題的研究中，為降低動(dòng)車組車體加工中的焊接殘余應(yīng)力，馬思群等人[9]對(duì)動(dòng)車組KK端多道焊焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行仿真研究;而為了提高鋼板焊接質(zhì)量，王士軍等人[10]采用Ansys軟件對(duì)鋼板填充焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬仿真分析;在不確定響應(yīng)下，Zheng Li等人[11]采用焊接模擬方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱力耦合分析。鋁合金車體主要由底架、側(cè)墻、端墻和車頂?shù)却蟛考M成，其中車體枕梁位于底架中，是鋁合金車體重要的支撐和連接部件[12]，此部位與牽引梁等部件相連，受力較大且復(fù)雜[13]。枕梁中，各組件的連接方式為焊接，焊接方式均采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（metal inertgas welding，MIG）[14]，其焊縫較多，殘余應(yīng)力較大，影響車體的裝備精度和外形，降低車體的承載能力和使用壽命，易出現(xiàn)安全隱患，需要進(jìn)行校核，以確保列車行車安全[15]?；诖?，本文主要對(duì)B型鋁合金地鐵枕梁進(jìn)行焊接數(shù)值模擬分析，仿真較為準(zhǔn)確地模擬了實(shí)際生產(chǎn)中焊接應(yīng)力的變化情況。該研究對(duì)提高地鐵枕梁的焊接質(zhì)量具有重要意義。

1焊接過(guò)程數(shù)值模擬分析

在計(jì)算鋁合金車體枕梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，采用SIMUFACT公司旗下的Simufact. welding軟件進(jìn)行焊接工藝仿真計(jì)算，并對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

枕梁結(jié)構(gòu)幾何模型寬1 138 mm，長(zhǎng)2 580 mm。共有焊縫17條，最短處焊縫238 mm，最長(zhǎng)焊縫2 580 mm，焊接類型為MIG焊，枕梁結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示。

枕梁結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)單元，在Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元103 760個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)139 801。焊縫處的網(wǎng)格尺寸約為5 mm，熱影響區(qū)的網(wǎng)格尺寸為10～15 mm，其母材網(wǎng)格尺寸為15～20 mm，網(wǎng)格尺寸呈漸變?cè)黾于厔?shì)[16]。枕梁結(jié)構(gòu)劃分后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.2材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

在鋁合金車體中，枕梁材料為6005A-T6，焊槍填充材料為AlMg4.5MnZr，材料化學(xué)成分如表1所示。

為準(zhǔn)確模擬實(shí)際工況下的焊接過(guò)程，需要在Simufact. welding中建立6005A-T6和AlMg4.5MnZr的數(shù)據(jù)庫(kù)，使用JMatPro軟件可以較為準(zhǔn)確地查找出材料在不同溫度下的熱力學(xué)性能，材料比熱隨溫度變化曲線如圖3所示，材料熱導(dǎo)率隨溫度變化曲線如圖4所示，材料密度隨溫度變化曲線如圖5所示。材料的這三種熱力學(xué)性能是影響焊接分析結(jié)果最主要的三個(gè)參數(shù)，在Simufact. welding中需要對(duì)這三項(xiàng)參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)定。

1.3熱源模型

熱源模型是作用在焊接件上，在時(shí)間域和空間域上熱輸入分布特點(diǎn)的一種數(shù)學(xué)表達(dá)式[17]。目前，用于焊接數(shù)值分析中所有的焊接熱源模型大都不隨時(shí)間的變化而變化，也就是靜態(tài)熱源[18]。Simufact. welding支持常規(guī)型和激光焊兩個(gè)預(yù)定義的熱源，常規(guī)型用于氣焊、手工電弧焊、MSG、WSG和UP焊接;激光焊用于激光和電子束焊接（正太分布區(qū)域熱源和恒定圓柱熱源組合）。由于枕梁處的焊接是MIG焊，屬于常規(guī)焊接的一種，采用雙橢球熱源模型，雙橢球熱源模型如圖6所示。

1.4焊接順序

按照實(shí)際加工順序設(shè)置焊接順序，枕梁焊接順序如圖7所示。圖中帶S的焊縫為相同焊縫的對(duì)稱位置，按照如下順序進(jìn)行焊接：

1.5焊接接頭

在實(shí)際工藝中，鋁合金地鐵枕梁的焊接形式有兩種：一種是兩個(gè)10 mm板對(duì)接，另一種是兩個(gè)25 mm板對(duì)接。對(duì)于薄板（10 mm）焊接，實(shí)際焊接工藝采用3層焊道，對(duì)于厚板（25 mm）焊接，采用10～14層焊道。對(duì)不同形式的焊接接頭形式創(chuàng)建不同的熱源模型。

兩個(gè)10 mm板對(duì)接接頭，焊接效率取0.8～0.9，焊接接頭形式如圖8所示，圖8中，t1=10 mm，t2=10 mm，b≤1 mm，c=2～3 mm，α=70°。焊接順序如圖9所示，其焊接工藝規(guī)程如表2所示。

兩個(gè)25 mm板對(duì)接接頭，焊接效率取0.8～0.9，焊接接頭形式如圖10所示，圖10中，t1=25 mm，t2=25 mm，b≤1 mm，c=2～3 mm，α=70°。焊接順序如圖11所示，其焊接工藝規(guī)程如表3所示。

對(duì)于大型焊接仿真，熱源模型一般不會(huì)選擇雙橢球熱源，而是選擇簡(jiǎn)化的熱循環(huán)曲線作為熱源模型[21]。如果焊縫焊道過(guò)多，熱循環(huán)曲線的獲取會(huì)變得困難，即使得到了熱循環(huán)曲線，大型結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算也變得耗時(shí)巨大，實(shí)際工程中的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)變低。因此，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化多層焊道的焊縫，用單層焊道代替多層焊道，從而得出簡(jiǎn)化的熱循環(huán)曲線。將兩個(gè)10 mm板對(duì)接接頭分別做單層焊、雙層焊和多層焊處理，得到焊接后的殘余應(yīng)力。同理，將兩個(gè)25 mm板對(duì)接接頭分別做單層焊、雙層焊和多層焊處理。焊接殘余應(yīng)力隨距焊縫中心位置變化曲線如圖12所示。

由圖12可以看出，采用不同層數(shù)的焊接，殘余應(yīng)力的大小與分布趨勢(shì)相似，因此可以把多層焊焊接用單層焊焊接簡(jiǎn)化處理，得到單層焊接的熱循環(huán)曲線。焊接溫度隨時(shí)間變化曲線如圖13所示。由圖13可以看出，該熱循環(huán)曲線分別提取了2個(gè)10 mm板對(duì)接接頭和2個(gè)20 mm板對(duì)接接頭焊縫沿著焊接方向中間截面的節(jié)點(diǎn)從開(kāi)始的初始溫度20 ℃到焊縫熔化并升溫到最高溫度隨后冷卻到200 ℃以下的溫度變化。

2結(jié)果與分析

采用簡(jiǎn)化后的熱循環(huán)曲線作為熱源進(jìn)行焊接仿真。在鋁合金車體枕梁的整體計(jì)算中，枕梁母材材料為6005A-T6，焊縫填充材料為AlMg4.5MnZr，熔化溫度范圍為580～620 ℃。按照?qǐng)D7梁焊接順序進(jìn)行焊接，并加載熱循環(huán)曲線，當(dāng)焊縫溫度升到最高時(shí)，溫度場(chǎng)最高為677.96 ℃。枕梁焊接完成后，位移最大為2.68 mm，發(fā)生在枕梁型材中間位置，枕梁整體位移變形如圖14所示。

由于焊縫附近位置節(jié)點(diǎn)被約束，當(dāng)焊縫焊接完成進(jìn)入冷卻過(guò)程時(shí)，焊縫收縮，而遠(yuǎn)離焊縫的枕梁型材中部和弧形板處沒(méi)有約束，因此變形較大。采用熱循環(huán)曲線作為熱源模型，加載完畢后，提取枕梁有限元模型中應(yīng)力最大焊縫和應(yīng)力最小焊縫縱向焊接殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力隨距焊縫中心位置變化曲線如圖15所示。由圖15可以看出，焊縫處的殘余應(yīng)力的軌跡是相似的，且符合一般焊接過(guò)程的分布規(guī)律[17]。

3結(jié)束語(yǔ)

本文主要通過(guò)Simufact. welding軟件，對(duì)B型鋁合金地鐵枕梁焊接數(shù)值模擬仿真分析。分析枕梁結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形情況。在實(shí)際工藝下，通過(guò)對(duì)比多層焊道與簡(jiǎn)化后單層焊道的殘余應(yīng)力可知，單層焊、三層焊和多層焊殘余應(yīng)力趨勢(shì)相似，數(shù)值差別不大，多層焊道簡(jiǎn)化為單層焊道是可行的，可以大大減少工作時(shí)間;在焊接應(yīng)力場(chǎng)的分析中，焊接裝夾位置處會(huì)出現(xiàn)較大的等效應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中，除裝夾位置外，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū)。平行于焊縫方向的應(yīng)力（縱向應(yīng)力）會(huì)大于垂直焊縫方向的應(yīng)力（橫向應(yīng)力），焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的大小產(chǎn)生一定的影響，兩個(gè)距離較近的焊縫，先焊接焊縫周圍的殘余應(yīng)力小于后焊接焊縫周圍的殘余應(yīng)力，在實(shí)際焊接過(guò)程中，可以把重要的部位或者容易集中的部位先進(jìn)行焊接，以減小殘余應(yīng)力。該研究為地鐵枕梁的焊接提供了理論依據(jù)。

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Abstract：? Aiming at the influence of residual stress on train performance and quality in the bolster welding， based on Simufact. welding software， the numerical simulation of welding was carried out on the bolster in the metro vehicle aluminum car body to solve practical engineering problems and the residual stress and deformation distribution after welding were analyzed. Different heat source model is created according to different modes of welded joints and the simplification of actual working conditions of multilayer welding bead， multilayer welding bead is replaced by a single welding bead to get the welding thermal cycle curve. The simplified heat source model is used instead of the conventional double ellipsoid heat source model to simulate the whole bolster， and the welding temperature field and residual stress are obtained. The simulation results show that due to the constraint of the position nodes near the weld， the weld shrinks when the welding is completed and enters the cooling process. Because there is no constraint at the middle of the bolster profile and the arc plate far away from the weld， the deformation is large. The research accurately simulates the change of welding stress in actual production， and provides technical support for the welding of bolster.

Key words： simufact. welding; bolster; heat source model; thermal cycling curve; simulation analysis