洪曉祥，陳 鵬

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

貨車端墻焊接變形的預(yù)測

洪曉祥，陳 鵬

(西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

貨車端墻屬于薄板結(jié)構(gòu)，在焊接生產(chǎn)過程容易發(fā)生失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形。這類變形往往是不規(guī)則的，這不僅影響貨車的外觀和使用性能，而且使得設(shè)計預(yù)留的裝配尺寸不容易控制。因此，預(yù)測并控制整個結(jié)構(gòu)的焊接變形量是有必要的。運用固有應(yīng)變等效載荷法在大型有限元軟件ANSYS上對某貨車端墻現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和設(shè)計結(jié)構(gòu)的焊接變形進行預(yù)測，在現(xiàn)有的焊接工藝下計算結(jié)果和實際生產(chǎn)過程中測量所得的變形量比較吻合。通過比較分析兩種結(jié)構(gòu)在同一線能量下的焊接變形計算結(jié)果，從而得出端墻的改進效果，為設(shè)計過程提供參考依據(jù)。

固有應(yīng)變；焊接變形；線能量

0 前言

伴隨焊接過程而產(chǎn)生的殘余變形和殘余應(yīng)力是影響焊接產(chǎn)品裝配尺寸和使用性能的重要因素，尤其是對一些復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)，控制殘余變形和殘余應(yīng)力尤為重要。因此，焊接變形及應(yīng)力仍是工業(yè)生產(chǎn)過程中迫切需要解決的問題。

某貨車端墻在現(xiàn)有的焊接工藝下組裝完畢后，端板和圓弧板發(fā)生較大的變形，有些位置的變形量甚至超過驗收標(biāo)準(zhǔn)。過大的變形量不但影響端墻結(jié)構(gòu)的外形美觀，而且影響了貨車的產(chǎn)品質(zhì)量，因此有必要減小焊接變形。貨車的端墻是由薄板構(gòu)件組裝而成的，在焊接過程中容易出現(xiàn)失穩(wěn)變形，是不規(guī)則的變形，這就加大了對焊后變形預(yù)測的難度?？刂谱冃蔚姆椒ê芏啵狙芯恐饕槍Ω淖兌藟Φ慕Y(jié)構(gòu)，通過有限元計算現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和設(shè)計結(jié)構(gòu)在相同線能量下的變形量，從而得出改變結(jié)構(gòu)對變形的控制效果，為設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 端墻計算模型

1.1 有限元模型的建立

現(xiàn)有的端墻結(jié)構(gòu)主要是由三塊3 mm厚的縱向拼接的端板、四根間隔組焊的端柱、兩根角柱和一根上端梁以及車頂圓弧板焊接而成，整個結(jié)構(gòu)焊縫長度在2 300 mm以上的共有18條。新的設(shè)計結(jié)構(gòu)是將原來端墻結(jié)構(gòu)的中間兩根端柱換成“井”字形結(jié)構(gòu)，并將兩邊的端柱分別往中間移動100 mm。端墻的計算模型如圖1、圖2所示。

圖1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的計算模型

圖2 設(shè)計結(jié)構(gòu)的計算模型

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

端墻結(jié)構(gòu)的有限元模型主要采用四節(jié)點四邊形殼單元和桿單元，兩種結(jié)構(gòu)的殼單元數(shù)分別為32 232和37 588，桿單元數(shù)分別為2 599和3 205。固有應(yīng)變的加載通常是將固有應(yīng)變值作為初始應(yīng)變值施加在固有應(yīng)變區(qū)內(nèi)。為了簡化模型，可以利用桿單元模擬焊縫并施加固有應(yīng)變值。

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的焊接約束條件是端柱中間加上兩個壓頭大小區(qū)域的z向約束、端板兩邊各加上四個壓頭大小區(qū)域的z向約束和上端梁一端施加z向約束，上側(cè)梁另一端施加三個方向約束，如圖3所示。設(shè)計結(jié)構(gòu)在中間的“井”字形結(jié)構(gòu)的各個端柱施加一個z向約束，如圖4所示。

1.3 熱載荷的確定

焊接過程中焊縫附近的熱輸入使焊接區(qū)域發(fā)生熱脹冷縮，當(dāng)引發(fā)的應(yīng)力超過彈性極限時會產(chǎn)生塑性應(yīng)變。焊接完畢、構(gòu)件完全冷卻后，最終的殘余塑性應(yīng)變等于溫度上升時產(chǎn)生的壓縮性塑性應(yīng)變與溫度下降時產(chǎn)生的拉伸性塑性應(yīng)變之和，這就是焊接的固有應(yīng)變[1]。固有應(yīng)變是導(dǎo)致焊接應(yīng)力和變形的根源。薄板結(jié)構(gòu)焊接過程中產(chǎn)生的縱向固有應(yīng)變是薄板發(fā)生失穩(wěn)變形的主要原因。因此，只要在焊縫附近施加熱載荷，再進行大變形計算就可以對薄板結(jié)構(gòu)進行失穩(wěn)變形分析。熱載荷可以通過固有應(yīng)變理論確定[2]。

圖3 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的焊接約束條件

圖4 改進結(jié)構(gòu)的焊接約束條件

焊接溫度場引起的載荷Papp可以表示為

式中 E為彈性模量；Aweld為載荷施加的橫向面積；α為線膨脹系數(shù)；ε為縱向固有應(yīng)變。

ε與焊接熱輸入Q的關(guān)系為

式中 η為熔敷效率；U為電壓；I為電流；v為焊接速度。

對于普通低碳鋼和低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)，K通?？梢匀?.6×10-7；F為總應(yīng)變W的分布區(qū)；c為比熱容；ρ為密度。

貨車端墻在實際焊接時，焊接電壓24 V，焊接電流220 A，焊接速度500 mm／mim，熔敷效率80%，焊縫面積0.06 cm2，利用式(1)、式(2)可以得出端墻的熱載荷。貨車側(cè)墻的焊接工藝流程主要為：①上端梁與端板的正面焊；②連接角鋼與上端梁、圓弧板的角焊縫；③角柱與端板的角焊縫；④端柱與端板的角焊縫；⑤圓弧板與端板的對接焊縫；⑥角柱與端板的背面角焊縫；⑦端板的反面拼接焊縫。在計算過程中依據(jù)焊接工藝流程施加熱載荷。

2 計算結(jié)果及分析

采用ANSYS軟件在不同的線能量下分別對兩種端墻結(jié)構(gòu)進行焊接變形模擬，通過比較兩種結(jié)構(gòu)在不同線能量下端墻的變形大小，從而得出改進的效果。首先，對兩種結(jié)構(gòu)進行屈曲分析，判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生失穩(wěn)。屈曲分析的結(jié)果是兩種結(jié)構(gòu)焊后都發(fā)生了失穩(wěn)，如圖5、圖6所示(線能量6 140 J／cm)。

圖5 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的變形

圖6 設(shè)計結(jié)構(gòu)的變形

選用3 480 J／cm、4 535 J／cm、6 140 J／cm三種線能量對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和設(shè)計結(jié)構(gòu)進行模擬計算，各線能量下兩種結(jié)構(gòu)的圓弧板和端板變形量如表1所示，圓弧板變形、端板變形與線能量的關(guān)系如圖7、圖8所示。

表1 不同線能量下兩種結(jié)構(gòu)的變形量

圖7 圓弧板變形與線能量的關(guān)系

圖8 端板變形與線能量的關(guān)系

貨車端墻大變形計算結(jié)果分析：

從圖5、圖6和表1中可以看出，整個端墻結(jié)構(gòu)的最大變形都出現(xiàn)在圓弧板的位置，這是因為在實際生產(chǎn)過程中，在圓弧板的位置沒有施加約束，使得圓弧板的邊緣發(fā)生自由變形。在生產(chǎn)現(xiàn)場通過對大量端墻結(jié)構(gòu)的實際測量，得出在現(xiàn)有的焊接工藝下組裝出來的端墻結(jié)構(gòu)的變形量為：端板上的平均變形量15.4mm，圓弧板的平均變形量20.6 mm。從計算結(jié)果可知，在較高的線能量下，計算結(jié)果和實測變形量較為吻合；但是在較低的線能量下，計算結(jié)果小于實測數(shù)據(jù)，這是因為仿真忽略了端板的初始不平整度、焊縫橫向收縮引起的角變形、高溫性能等因素。

從表1可知，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的圓弧板和端板的變形量都小于設(shè)計結(jié)構(gòu)相同位置的變形量，分析其原因是在設(shè)計結(jié)構(gòu)中雖然取消了兩根端柱，省去了四條長直焊縫，但是在端板的中心多了“井”字形結(jié)構(gòu)，這使得端板中心位置的焊縫變得密集。從圖6可知，在端板的中心位置往往出現(xiàn)上凸或下凹的變形。

從表1還可知，這兩種結(jié)構(gòu)的最后變形量隨著線能量的減少而減小。因此，如果不改變端墻結(jié)構(gòu)，可以通過控制實際生產(chǎn)過程中線能量的大小來改變現(xiàn)有端墻結(jié)構(gòu)組裝完畢后的整體變形量。但是線能量的高低影響著生產(chǎn)效率，因此過低的線能量是不可取的。

由圖7、圖8可知，兩種結(jié)構(gòu)的焊接變形量都是隨著線能量的增加而變大，但是變化的趨勢不一樣，設(shè)計結(jié)構(gòu)對中、大線能量的敏感性較現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更明顯，當(dāng)線能量超過4 000 J／cm時，設(shè)計結(jié)構(gòu)變形量的曲線斜率比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的斜率大，所以在中、大的線能量下設(shè)計結(jié)構(gòu)更不合適。

3 結(jié)論

(1)基于固有應(yīng)變等效載荷有限元法，通過在焊縫施加等效熱載荷進行貨車端墻結(jié)構(gòu)的大變形計算，計算結(jié)果和實際測試數(shù)據(jù)相吻合，證明計算模型的準(zhǔn)確可靠性。

(2)通過比較不同線能量下的計算結(jié)果，可以得出減少線能量能夠減小變形量。但是過低的線能量必然導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，因此通過降低線能量來控制端墻變形的效果不好。

(3)通過分析兩種結(jié)構(gòu)的模擬計算和結(jié)果，在相同線能量下，設(shè)計結(jié)構(gòu)的貨車端墻的整體變形量比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的整體變形量大，這種結(jié)構(gòu)對減小貨車端墻變形量沒有效果，不適合采用。

[1]汪建華.焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[2]汪建華，陸 皓，魏良武.固有應(yīng)變有限元預(yù)測焊接變形理論及其應(yīng)用[J].焊接學(xué)報，2002，23(6)：36-40.

Welding distortion prediction of truck end wall

HONG Xiao-xiang，CHEN Peng
(Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Truck end wall belongs to thin plate structure，so it easily occurs instability and produces waves deformation in welding process.This kind of deformation is often irregular，which not only affects the appearance and the use of performance of trucks，but makes the assembly size of design reserved not easy to control.Therefore，it is necessary to forecast and control the overall structure of the welding deformation.This paper we use inherent strain equivalence load method in large-scale finite element software ANSYS for train truck end wall，which forecasts the welding deformation of existing structure and design structure.In the existing welding process the calculated results are consistent with the measured deformation in actual production process.Through the two structures in the same line energy，we compared and analyzed calculation results of the welding deformation.Thus we draw the end wall improvement effect，and provide a reference basis for design process.

inherent strain；welding distortion；line energy

TG404

A

1001-2303(2011)07-0054-04

2010-11-11；

2011-07-10

洪曉祥(1985—)，男，福建南安人，在讀碩士，主要從事焊接殘余應(yīng)力與變形的研究。