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）

0 引 言

近年來，各國(guó)學(xué)者相繼提出了多種模擬方法用于對(duì)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(gè)相互耦合的過程：同時(shí)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(shí)得到焊接加熱、冷卻過程中每一時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布及焊接變形和應(yīng)力結(jié)果。由于其計(jì)算量非常大，對(duì)計(jì)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(gè)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(shí)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(dòng)單元、電機(jī)拉桿等臨時(shí)附件，從而浪費(fèi)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(duì)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(jì)算時(shí)間也耗時(shí)數(shù)月，并對(duì)計(jì)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(jiǎn)單快速地確定變形趨勢(shì)結(jié)果，然而固有應(yīng)變法對(duì)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(duì)準(zhǔn)確的大型結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)方法，并基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，證明其對(duì)大型結(jié)構(gòu)、復(fù)雜焊縫的焊接變形預(yù)測(cè)具備一定的工程實(shí)用性。

1 側(cè)梁的焊接工藝過程及工裝

1.1 焊接工藝簡(jiǎn)介

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(duì)稱焊接減少焊接變形的原理，筋板的焊接順序?yàn)橄戎胁亢髢深^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(duì)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(shí)，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(shí)，拘束條件和焊接順序如圖3所示。具體焊接順序?yàn)橄群干仙w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

1.2 焊接工裝夾具及焊接順序

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

2 側(cè)梁的焊接變形模擬

2.1 焊接變形模擬原理

①針對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)不同焊接順序下的變形分布變化。

2.2 側(cè)梁典型接頭的焊接變形模擬

如圖5所示，對(duì)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(jì)算量，本文使用實(shí)體單元和殼單元相結(jié)合的方法對(duì)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(shí)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(shí)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

3 轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接變形模擬結(jié)果

由圖7可知，側(cè)梁焊后，兩頭的筒體同時(shí)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(cè)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(shí)測(cè)得到的側(cè)梁的焊接變形結(jié)果與預(yù)測(cè)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(shí)測(cè)結(jié)果變形趨勢(shì)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(cè)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新的固有應(yīng)變法的計(jì)算方法，并應(yīng)用新方法對(duì)大型轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的焊接變形進(jìn)行了計(jì)算，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，證明該方法可以快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(shì)及變形量?！?/p>