孫 莉 ,張 騰 ,劉晨曦
(1.天津電力機(jī)車有限公司 天津 300452;2.核工業(yè)西南物理研究院 四川成都 610041;3.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300350)
近年來,各國學(xué)者相繼提出了多種模擬方法用于對大型結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行模擬,目前主流的方法主要有熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法等[1-3]。熱彈塑性有限元法基于焊接過程熱結(jié)構(gòu)耦合模擬,是焊接數(shù)值模擬最準(zhǔn)確的方法,其主要包括2個相互耦合的過程:同時進(jìn)行焊接熱分析及熱源輸入導(dǎo)致的熱應(yīng)力分析;同時得到焊接加熱、冷卻過程中每一時刻的溫度場分布及焊接變形和應(yīng)力結(jié)果。由于其計算量非常大,對計算機(jī)及收斂算法的要求非常高,一般難以用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形[4-6]。固有應(yīng)變法則能夠快速得到大型結(jié)構(gòu)的焊接變形,其原理是直接將焊接熱輸入導(dǎo)致的近縫區(qū)的收縮以應(yīng)變的方式施加于近焊縫區(qū),并經(jīng)過一次結(jié)構(gòu)分析得到整個大型結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力及變形。
機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,由多條焊縫連接而成。焊接過程中的局部熱輸入導(dǎo)致了焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的產(chǎn)生,為保證轉(zhuǎn)向架服役的安全性,同時為了在焊接過程中順利進(jìn)行構(gòu)架組裝,在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接完畢后需要進(jìn)行矯正以控制焊接變形。但是由于轉(zhuǎn)向架整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,矯形前后需分別安裝和拆除制動單元、電機(jī)拉桿等臨時附件,從而浪費大量的人力物力。因此,如何降低焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形成為構(gòu)架鋼結(jié)構(gòu)焊接組裝中急需解決的問題之一。
針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的大型結(jié)構(gòu)焊模擬,如采用熱彈塑性有限元法,即使基于性能先進(jìn)的服務(wù)器,其計算時間也耗時數(shù)月,并對計算機(jī)、程序人員及算法均非常不友好;而采用固有應(yīng)變法模擬轉(zhuǎn)向架大型構(gòu)件的焊接過程盡管可以簡單快速地確定變形趨勢結(jié)果,然而固有應(yīng)變法對于大型結(jié)構(gòu)焊接過程的仿真存在一定的局限。因此,本文提出了一種快速且相對準(zhǔn)確的大型結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測方法,并基于實測數(shù)據(jù)對比,證明其對大型結(jié)構(gòu)、復(fù)雜焊縫的焊接變形預(yù)測具備一定的工程實用性。
轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接組裝工藝流程為:①側(cè)梁內(nèi)筋組裝;②內(nèi)筋機(jī)械手焊接;③側(cè)梁扣合;④側(cè)梁定位臂組裝;⑤側(cè)梁外體機(jī)械手焊接;⑥側(cè)梁外體焊修;⑦側(cè)梁定位臂焊修。
基于對稱焊接減少焊接變形的原理,筋板的焊接順序為先中部后兩頭的原則。每組筋板焊接的具體順序是先筋板與下板的連接,然后是腹板和底板的連接,最后從上至下依次對筋板與左右腹板進(jìn)行連接,其焊接順序如圖1所示。
圖1 側(cè)梁焊接變形和焊接順序示意圖Fig.1 Diagram of welding deformation and welding sequence of side beam
定位臂焊接時,根部組裝預(yù)留余量2 mm(136+2 mm),上端組裝余量4 mm(136+4 mm),作為定位臂根部焊接后收縮的反變形,見圖2。
圖2 定位臂的組裝Fig.2 Fitting of positioning arm to side beam
外腹板焊接時,拘束條件和焊接順序如圖3所示。具體焊接順序為先焊上蓋板、再焊下蓋板,兩端和中間的焊接順序如圖3中箭頭所示。
圖3 外腹板焊接順序示意圖Fig.3 Schematic diagram of welding sequence of cover plate
如圖4所示,焊接過程中變形的側(cè)梁以下蓋板為基準(zhǔn),側(cè)梁兩端的收縮、下沉和定位臂焊接根部和外端的變形。
圖4 大型構(gòu)件焊接數(shù)值模擬方案示意圖Fig.4 Simulation scheme for welding of large components
①針對整體結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并提取其中的典型接頭類型。
②計算結(jié)構(gòu)中所有接頭的焊接變形和殘余應(yīng)力分布。
③對整體構(gòu)件上特定焊縫采用分段導(dǎo)入該部位局部接頭的相應(yīng)變形數(shù)據(jù),以模擬在整體構(gòu)件拘束下的焊接方向和焊接變形分布。
④對整體構(gòu)件上其他焊縫采用相同的局部焊接變形加載模擬,并通過不同焊縫/焊道加載順序控制,以實現(xiàn)不同焊接順序下的變形分布變化。
如圖5所示,對焊接接頭的焊接變形進(jìn)行熱彈塑性有限元模擬,隨后將收縮應(yīng)變提取出來作為輸入施加于大型結(jié)構(gòu)的近焊區(qū)。
圖5 局部網(wǎng)格的焊接變形Fig.5 Simulation result of T joint welding deformation
為了降低計算量,本文使用實體單元和殼單元相結(jié)合的方法對轉(zhuǎn)向架側(cè)梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分,整體網(wǎng)格尺寸 10 mm,局部網(wǎng)格尺寸 2 mm。通過自由度耦合的方式將 6 自由度的殼單元和 3 自由度的實體單元耦合起來,以便于將典型接頭提取出來的固有應(yīng)變按照實際的焊接順序施加于整體結(jié)構(gòu)上,得到如圖6所示的網(wǎng)格模型。
圖6 側(cè)梁網(wǎng)格Fig.6 Mesh of side beam
由圖7可知,側(cè)梁焊后,兩頭的筒體同時向下、向內(nèi)收縮變形,側(cè)量的中間向上、向里收縮變形。
圖7 總體變形Fig.7 Simulation result of welding deformation
由圖8 ~ 10可知,測量焊后的橫向收縮(X方向)和縱向收縮(Y方向變形)值分別為3.99 mm、1.7 mm。即側(cè)梁底板兩端向里收縮量為3.99 mm,向下變形量為1.7 mm。
圖8 X方向變形Fig.8 Simulation result of welding deformation in X direction
圖9 Y方向變形Fig.9 Simulation result of welding deformation in Y direction
圖10 Z方向變形Fig.10 Simulation result of welding deformation in Z direction
實測得到的側(cè)梁的焊接變形結(jié)果與預(yù)測結(jié)果如表1所示。由表1可知,采用本方法得到的仿真結(jié)果和實測結(jié)果變形趨勢基本一致,且變形數(shù)值吻合度達(dá)到80%,證明本文方法能用于大型結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測。
本文提出了一種新的固有應(yīng)變法的計算方法,并應(yīng)用新方法對大型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接變形進(jìn)行了計算,通過與試驗數(shù)據(jù)的比對,證明該方法可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架這種大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形趨勢及變形量?!?/p>