周祿軍，李樹棟，周成候，火巧英

（南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司，南京21000）

不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^有限元分析

周祿軍，李樹棟，周成候，火巧英

（南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責任公司，南京21000）

針對不銹鋼地鐵車頂結(jié)構(gòu)中的四種類型MAG焊典型焊接接頭進行試驗和有限元模擬分析?；跓?力完全耦合理論和熱彈塑性有限元方法，利用大型有限元分析軟件ABAQUS求解焊接過程中和焊后的溫度及應(yīng)力，模擬研究不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^的溫度場、應(yīng)力場的演化行為以及殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，并進行相應(yīng)的焊接試驗。結(jié)果表明：熔池計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好；平板對接形式的應(yīng)力分布是不銹鋼車頂各類典型接頭應(yīng)力分布的本質(zhì)形式；對于T型接頭和卷邊接頭形式，豎板的應(yīng)力分布不同。該有限元分析為不銹鋼地鐵車頂焊接制造提供了參考。

地鐵車頂；MAG焊；典型接頭；溫度場；殘余應(yīng)力

0 前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，地鐵交通系統(tǒng)以其交通便捷性、準時性、載客量等優(yōu)點在各大城市得到大力發(fā)展，對地鐵車輛的需求越來越多。不銹鋼以其良好的耐腐蝕性、輕量化、維護成本低、耐高溫、環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于地鐵車輛的生產(chǎn)制造中[1]。

不銹鋼車體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)碳鋼車體、鋁合金車體的差異較大，其成形焊接工藝也不同。其中車頂作為車體重要的大型組成構(gòu)件，與側(cè)墻和底架相比，其結(jié)構(gòu)復雜程度高，焊接接頭形狀復雜多樣，導致焊接溫度變化和應(yīng)力分布情況復雜。不銹鋼熱導率低、線膨脹系數(shù)大，在焊接時容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而大量的殘余應(yīng)力對車頂強度和使用壽命等都有較大的影響。因此需要分析不銹鋼車頂?shù)母鞣N焊接接頭的應(yīng)力，掌握接頭殘余應(yīng)力分布。

本研究分析不銹鋼地鐵車頂結(jié)構(gòu)的四種典型的焊接接頭形式，利用大型有限元分析軟件ABAQUS對四種典型接頭焊接過程中和焊后的溫度及應(yīng)力進行求解，模擬研究不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^的溫度場、應(yīng)力場的演化行為以及殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，并進行相應(yīng)的焊接試驗。

1 試驗

試驗設(shè)備為EWM型MAG焊機。焊接試樣為某型號不銹鋼地鐵車頂四種類型的典型焊接接頭，依次為對接、搭接、T型和卷邊焊四種，如圖1所示。各類焊接接頭工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 四種典型接頭類型示意Fig.1 Four typical welding types

表1 各類典型焊接接頭工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of typical welding joint

2 有限元模型

2.1 焊接計算力學有限元模型

在不銹鋼MAG焊過程中會發(fā)生非常復雜的溫度變化、組織變化和應(yīng)力變化。三者相互影響，共同決定了最終的焊接構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力和變形的分布[2-3]。針對不銹鋼地鐵車頂MAG焊焊接工藝實際，采用如圖2所示的焊接計算模型。該模型完全考慮了溫度場和應(yīng)力變形場之間的相互耦合作用，即不僅考慮了溫度場以熱應(yīng)力的形式對應(yīng)力場的影響，也考慮了應(yīng)力場以做功和變形熱的形式對溫度場的影響。由于實際工藝所采用的不銹鋼為低碳不銹鋼，因此在模型中可以完全忽略顯微組織變化對溫度場和應(yīng)力場的影響。

圖2 焊接計算模型Fig.2 Welding calculation model

（1）熱力耦合方程。

焊接過程中，瞬態(tài)溫度場的熱力耦合控制方程為

式（1）等號右端的兩個與力學場有關(guān)的項稱為力學耦合項，在實際熱力耦合分析中采用迭代求解。

與控制方程相對應(yīng)的對流換熱和輻射換熱邊界微分方程式為

式中 偏導項為溫度梯度；h為對流換熱系數(shù)；ε、σ為輻射換熱系數(shù)。

（2）應(yīng)力場本構(gòu)方程。

焊接過程中，應(yīng)力場本構(gòu)方程會發(fā)生復雜的變化，涉及到經(jīng)典的熱彈塑性模型、粘塑性模型、蠕變模型以及相變塑性模型。針對實際工藝需求，僅考慮最主要的熱彈塑性模型，其本構(gòu)方程為[4-6]

上式考慮了材料參數(shù)隨溫度變化的影響。實際模型中采用Mises屈服準則和各向同性硬化準則。

2.2 不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^模型

（1）三維網(wǎng)格模型。

根據(jù)實際工藝參數(shù)，建立四種典型接頭的幾何模型，并進行相應(yīng)的三維網(wǎng)格剖分，如圖3所示。單元類型采用六面體一次單元，焊縫區(qū)網(wǎng)格適當加密以保證計算要求。

（2）材料熱物性參數(shù)。

由于實際焊接過程中不銹鋼焊接接頭需經(jīng)歷劇烈的高溫熱循環(huán)，因此建立有限元模型時必須輸入不同溫度下的材料熱物性參數(shù)，如圖4所示。

（3）熱源模型的選取和邊界條件的設(shè)置。

在大量的不銹鋼車頂?shù)湫秃附咏宇^的仿真模擬中，準確、穩(wěn)定、高效是熱源模型選取的重要因素。經(jīng)過實際計算，采用雙橢球熱源能夠較廣泛地適用于各類典型接頭的MAG焊工藝，如圖5所示。還以T型接頭為例，展示了熱學和力學邊界條件的設(shè)置。

圖3 四種典型接頭的三維網(wǎng)格模型Fig.3 Three-dimensionalmeshmodeloffourtypicaljoints

圖4 主要熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)Fig.4 Main thermos-physical parameter data

圖5 熱源模型的選取和邊界條件的設(shè)置Fig.5 Selection of heat source model and setting of boundary conditions

3 結(jié)果和討論

3.1 溫度場模擬結(jié)果和分析

典型接頭之一的平板對接接頭在焊接過程中的溫度場分布和焊縫中心某點熱循環(huán)曲線如圖6所示。四種典型接頭的熔池模擬結(jié)果如圖7所示。

平板對接接頭的熔池模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比如圖8所示。其余三種典型接頭的熔池模擬結(jié)果和實驗結(jié)果對比如圖9所示。結(jié)果表明，基于熱-力耦合分析的MAG焊接彈塑性有限元模型，在考慮計算參數(shù)隨溫度變化的情況下，計算得到的溫度場結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。

3.2 應(yīng)力場模擬結(jié)果和分析

四種典型接頭的縱向殘余應(yīng)力分布云圖如圖10所示。縱向殘余應(yīng)力大致分為約束縱向拉應(yīng)力區(qū)、焊縫縱向拉應(yīng)力區(qū)和HAZ縱向壓應(yīng)力區(qū)，三類區(qū)域沿垂直焊縫方向依次分布。

四種典型接頭的橫向殘余應(yīng)力分布云圖如圖11所示。橫向殘余應(yīng)力大致分為HAZ橫向拉應(yīng)力區(qū)和焊縫橫向拉應(yīng)力區(qū)，兩類區(qū)域沿焊縫方向依次分布。

圖6 對接接頭的溫度場模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of temperature field of butt joint

圖7 四種典型接頭熔池模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of welding pools of four typical joint

圖8 平板對接接頭熔池模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比Fig.8 Comparison of simulation results and experimental results of molten pool in butt joint

圖9 三種典型接頭熔池模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison of simulation results and experimental results of molten pool in other three joints

圖10 四種典型接頭的縱向殘余應(yīng)力分布Fig.10 Longitudinal residual stress distribution of four typical joints

圖11 四種典型接頭的橫向殘余應(yīng)力分布Fig.11 Transverse residual stress distribution of four typicaljoints

不銹鋼車頂?shù)湫秃附咏宇^的橫、縱向殘余應(yīng)力的總體分布規(guī)律基本相同：焊縫區(qū)存在較大的縱向拉應(yīng)力，焊縫兩端存在較大的橫向壓應(yīng)力；熱影響區(qū)存在較大的橫向拉應(yīng)力和縱向壓應(yīng)力。這有利于統(tǒng)一制定合理的焊接方案，減少控制車頂焊接殘余應(yīng)力的難度。

由上述分析可知，平板對接形式的應(yīng)力分布是復雜接頭應(yīng)力分布的本質(zhì)形式。對于T型接頭和卷邊接頭，其底板平面內(nèi)應(yīng)力分布具有平板對接接頭應(yīng)力分布的形式。而豎板的應(yīng)力分布出現(xiàn)了一些區(qū)別。卷邊焊的豎板側(cè)由于與底板相連，近焊縫區(qū)出現(xiàn)的殘余應(yīng)力較大，而T型接頭豎板在焊前未與底板相連，殘余應(yīng)力較小。

圖12 典型對接接頭橫向殘余應(yīng)力分析Fig.12 Analysis of transverse residual stress in typical butt joint

圖13 典型對接接頭縱向殘余應(yīng)力分析Fig.13 Analysis of longitudinal residual stress in typical butt joint

3.3 平板對接接頭殘余應(yīng)力

平板對接形式是四種典型接頭的殘余應(yīng)力分布的基本形式。典型對接接頭橫向殘余應(yīng)力分析如圖12所示，結(jié)合對接接頭的橫向殘余應(yīng)力云圖，詳細分析平板對接形式的殘余應(yīng)力。焊縫附近熱影響區(qū)產(chǎn)生了較大的橫向拉應(yīng)力，達到250 MPa，這是導致平板對接焊兩邊翹曲的重要原因。另一方面，焊縫中心區(qū)出現(xiàn)了較低的橫向應(yīng)力，約為50 MPa。

典型對接接頭縱向殘余應(yīng)力如圖13所示。

結(jié)合對接接頭的縱向殘余應(yīng)力云圖分析發(fā)現(xiàn)，焊縫附近熱影響區(qū)存在縱向壓應(yīng)力，而焊縫中心區(qū)出現(xiàn)縱向拉應(yīng)力，約為100 MPa，焊縫的起止端則為縱向壓應(yīng)力，約為-50 MPa。

4 結(jié)論

（1）基于熱-力耦合的熱彈塑性理論，建立了不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^物理場計算數(shù)學模型；并對四種典型接頭進行仿真計算，得到熔池計算結(jié)果和應(yīng)力場計算結(jié)果。

（2）對比數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果可知，采用本研究建立的熱力耦合計算模型對不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

（3）對于不銹鋼車頂?shù)湫秃附咏宇^，橫、縱向殘余應(yīng)力的總體分布規(guī)律基本相同：焊縫區(qū)存在較大的縱向拉應(yīng)力，焊縫兩端存在較大的橫向壓應(yīng)力；熱影響區(qū)存在較大的橫向拉應(yīng)力和縱向壓應(yīng)力。

（4）平板對接形式的應(yīng)力分布是不銹鋼車頂?shù)湫徒宇^應(yīng)力分布的本質(zhì)形式。對于T型接頭和卷邊接頭形式，豎板的應(yīng)力分布不同。

[1]黃志宏，許彥強.不銹鋼車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析要點[J].鐵道車輛，2012，50（6）：14-17.

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Finite element analysis of typical welded joint in subway roof of stainless steel

ZHOU Lujun，LI Shudong，ZHOU Chenghou，HUO Qiaoying
（CRRC NANJING PUZHEN CO.，LTD，NanJing 210000，China）

In this paper，four typical types of MAG welding joints of subway roof structure in stainless steel are tested and analyzed by finite element method.Using large-scale finite element analysis software ABAQUS，based on thermo-mechanical complete coupling theory and thermo-elastic-plastic finite element method，the temperature and stress in the welding process and after welding are solved，the evolution of temperature field and stress field and the distribution law of residual stress of typical welding joint of stainless steel subway roof are simulated and analyzed.At the same time，the corresponding welding test is carried out.The results show that the calculated results of welding pool are in good agreement with the experimental results.The stress distribution in the form of plate butt is the essential form of the stress distribution of the various types of joints of stainless steel roof.For T-joints and crimp joints，the stress distribution of the risers is different.The results above provide a reference for manufacture of stainless steel subway roof welding process.

subway roof；MAG welding；typical welding joint；temperature field；residual stress

TG457

A

1001-2303（2017）10-0080-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.17

本文參考文獻引用格式：周祿軍，李樹棟，周成候，等.不銹鋼地鐵車頂?shù)湫秃附咏宇^有限元分析[J].電焊機，2017，47（10）：80-85.

2017-04-24

周祿軍（1981—），男，土家族，工程師，學士，主要從事焊接變形和應(yīng)力模擬的研究工作。E-mail：zhoulujun@csrpz.com。