快速客运机车构架侧梁焊接仿真分析

快速客运机车构架侧梁焊接仿真分析

毛斌 ,陈艳

中车株洲电力机车有限公司   湖南 株洲   412001

摘要：预测构架侧梁焊接变形与残余应力对于保证机车转向架加工精度和提高构架焊接质量具有重要意义。转向架侧梁结构尺寸大，焊缝分布复杂，本文在不简化模型和焊道的基础上，采用Weld-Planner软件，分别研究了内部焊缝、主焊缝及外部附件焊缝焊接顺序对侧梁焊接变形量的影响，仿真结果和实测结果具有很好的一致性。在对焊接变形进行计算的同时，通过硬化曲线的引入，得到了附件焊接完成后残余应力的分布状态，为残余应力的快速评估提供了新的思路。研究表明，Weld-Planner软件是实现大型复杂结构焊接仿真快速计算的有力工具。

关键词：转向架构架、焊接变形、残余应力、焊接顺序、Weld-Planner

Abstract： Calculating distortion and residual stress of bogie frame is significant to ensure bogie precision of manufacture and enhance quality of welding。

0 序言

机车构架是转向架的主要承载部件，不仅要支承车体和各种零部件，而且需要传递复杂载荷，对刚度和制造精度具有很高的要求。为保证加工精度和提高构架焊接质量，提前预测构架在焊接生产过程中产生的焊接变形和残余应力具有重要的意义。本文研究的侧梁是构架焊接过程中控制焊接变形与应力的关键问题。

在新产品试制或制造中，有时为控制焊接变形达到设计要求不得不采用火焰或机械等方法进行调修，不仅增加生产成本，延长生产周期，而且工艺控制不当极易产生新的变形和使残余应力的分布状态恶化[1、2]。在结构设计一定的情况下，可以通过调整焊接顺序、焊接方向、夹具约束、反变形等工艺措施进行焊接变形的控制。目前，焊接顺序和焊接方向的制定主要依靠积累的经验和重复的试验确定，由于时间和成本的原因，生产中焊接顺序和方向有可能不是最佳的[3]。

基于固有应变理论[3- 5]和 VPS求解器，ESI公司针对大型焊接结构件的焊接变形预测推出了Weld-Planner软件，其通过采用四面体、六面体、壳单元、固-壳单元等丰富先进的单元类型，可以在不简化模型的基础上对大型构件的焊接变形进行高效率的快速计算，比基于传统的弹性壳单元有限元的固有应变法具有更好的适应性。通过Weld-Planner可以对结构部设计、焊接顺序、焊接方向、夹具夹持部位等工艺进行计算，得到对应的焊接变形与焊接应力数据，通过变形结果的对比可以对相关参数进行优化，并为反变形、留余量法提供可靠数据支持。

1 模型建立

该转向架构架侧梁是由上、下盖板，内、外立板，32条内部加强筋板以及若干外部附件组焊而成的箱型结构梁，其结构如图1和图2所示。侧梁结构尺寸为：x方向纵向尺寸6.39m，y方向横向尺寸0.28m，z方向高度尺寸0.33m。

图1侧梁外部结构

图2侧梁内部结构

由于该箱型结构梁尺寸大、结构复杂、焊缝数量多，根据结构和焊缝分布位置将侧梁焊缝分为三种类型：

（1）内部焊缝。即内部加强筋板与内立板、外立板、下盖板的连接焊缝；内、外立板与下盖板的梁体内打底焊缝；

（2）主焊缝。即内、外立板与上、下盖板之间的四条外部主焊缝。

（3）外部附件焊缝。

在侧梁的焊接生产过程中，内部焊缝与主焊缝焊接完成后，如果尺寸超差会经过火焰调修对焊接变形进行控制，随后再进行外部附件的焊接。基于工程的装配顺序，本文分两步对该侧梁进行焊接仿真计算：不含外部附件的箱型结构仿真（包含内部焊缝及主焊缝）和外部附件仿真。

对箱形结构进行焊接仿真时，根据结构和焊缝分布特点，主要采用六面体单元对该结构进行网格划分。焊缝处网格进行局部细化，并保持焊缝形状的完整性，保证固有应变施加区域的准确性。网格划分工具是ESI公司自主研发的Visual-Mesh，最终生成的网格单元数量306316，节点数量418340，网格示意图如图2、图3所示：

图2 箱形结构网格                          图3 筋板及焊道局部网格

在进行外部附件焊接仿真时，由于附件形状不规则、连接焊缝分布复杂，采用四面体网格对模型进行网格划分。在不简化模型的情况下，成功得到焊件的网格模型，最终生成的网格单元数量为2475472，节点数为547614。网格示意图如图4、图5所示：

   图4 侧梁（含附件）网格                   图5 附件连接处局部网格

2材料数据库的建立

快速客运机车构架侧梁材料为16MnDR，其化学成分及力学性能符合文献[4]的要求，化学成分见表1。经分析，16MnDR钢碳当量不高，淬硬倾向小，室温下焊接一般不易产生冷裂纹。在轧制过程中，对硫、磷含量控制严格，其质量分数较低，焊接性能好【5】。

表1 16MnDR钢的化学成分

Weld-Planner里面的材料数据库需要的材料物理参数主要是：弹性模量、泊松比、应力-应变曲线、线膨胀系数等，其中应力应变曲线（只取硬化段）如下图所示：

图6  16MnDR真实应力应变曲线

3仿真结果分析

3.1 箱型结构仿真数据与实测值对比

在进行侧梁焊接顺序仿真优化之前，首先对侧梁现有焊接顺序下的焊接变形与应力进行仿真模拟。侧梁现有焊接顺序均为从中间至两端，其中内部焊缝采用从中间到两端的交替焊接，主焊缝采用从中间到两端依次焊接，具体焊接顺序如图7所示。

该侧梁构件在焊接生产过程中主要关注Z方向上的弯曲变形（立弯），以便对焊接变形进行控制。

图7 侧梁现有焊接顺序（内部焊缝①~④，主焊缝Ⅰ~Ⅱ）

箱型结构现有焊接顺序下的仿真变形云图（Z方向）如图8所示：

                        图8  Z方向位移

由图8可知，侧梁两端均产生向下的弯曲变形，其中变形最大的区域为上、下盖板两端的边沿。由仿真结果可知下盖板在Z方向上的变形量（即挠度）仿真值为4.35mm，下盖板在Z方向上的实测挠度值约为5.0mm。通过对比可知，采用前面的箱型结构六面体计算模型得到的结果和实测值有很好的一致性。

3.2 箱型结构焊接顺序优化

实际焊接中内部焊缝和主焊缝的焊接顺序大致方向是一致的。在对箱型结构焊接顺序设计中，内部焊缝和主焊缝焊接顺序保持一致，同时进行调整和变化。在现有焊接顺序的基础上，箱型结构还加入了其他三种焊接顺序，如图9所示（其中①为现有焊接顺序）。

图9 箱型结构不同焊接顺序

表2 箱型结构不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果

通过上面的四种不同顺序下的变形结果我们可以看到，不同顺序下产生的最终焊接变形趋势都是一致的，证明焊接变形趋势主要与结构形状、尺寸、焊缝分布有关。由于该侧梁内部筋板数量较多，结构整体刚度较大，抵抗变形的能力强。在所有填充的焊道中，筋板与前后立板的连接焊缝是导致旁弯出现的主要原因，筋板和前立板焊接过程中会出现向前的旁弯，但是随后的筋板和后立板的连接焊缝产生的塑性变形累计对抵消掉一部分旁弯变形。在最后的前后立板和上下盖板的连接焊缝中，由于此时筋板已经全部施焊完成，侧梁构件整体刚度很大，因此上下盖板和前后立板的连接焊缝导致的旁弯很小，基于以上原因，最后侧梁上累计的旁弯变形比较小。

3.3 附件焊接残余变形仿真计算结果及分析

该侧梁外部附件主要集中在下盖板上，附件焊接后导致侧梁两端产生朝向下盖板方向的挠度。附件焊接设置三种焊接顺序，如图11所示（其中①为现有焊接顺序）。Wled-Planner计算完成之后的变形结果云图如下所示：

图11 外部附件焊接顺序

图12  顺序1下Z方向位移         图13  顺序2下Z方向位移

图14  顺序3下Z方向位移

通过上面的变形云图我们可以看见，不同焊接顺序的焊接趋势基本一致，均是在附件全部焊接完成之后，侧梁两端出现了向下的弯曲变形，即立弯。在侧梁附件焊接的过程中，基本上没有出现旁弯变形，这是因为在左右立板上面分布的附件减小，虽然在焊接过程中也会产生导致出现旁弯的塑性变形，但是结构本身的刚度足以对该部分塑性变形进行抵销；最大弯曲变形（立弯）最终体现在侧梁的两端，产生了较大的弯曲变形，这主要是由于附件几乎全部集中在下盖板，这些焊缝均在底板产生了较大的压缩塑性变形，最终导致在侧梁的两端出现了较大的弯曲变形。

在这里我们对三种不同焊接顺序下的立弯变形、焊接收缩量进行了统计和对比，分别如下所示：

表3 外部附件不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果

从上面的计算结果我们可以看到，顺序3下产生的立弯变形最小，焊接收缩量最大，顺序1下产生的焊接收缩量最小。

3.4 附件焊完后焊接残余应力计算结果及分析

经过计算，在得到侧梁附件焊接变形的同时获得残余应力结果，如下图所示：

图15 焊后应力分布云图

通过上面的残余应力分布云图分布可知，最大残余应力值出现在焊缝及热影响区，最大值达到了630MP。这主要是因为在这些区域经历了较大的温度梯度变化，在构件冷却至室温后，焊缝及热影响区残留了塑性变形，导致在该区域出现了较大的残余应力。由于在有限元计算分析时采用的是真实应力应变曲线，而且在焊接过程中材料本身已经发生了塑性变形，再加上塑性变形累积产生的应变强化，因此最终的残余应力值比材料屈服强度高。

4结论

（1）对转向架侧梁现有焊接工艺下进行了焊接变形计算，模拟得到的挠度值为4.35mm，与实测值基本吻合。

（2）对四种不同的焊接顺序下的焊接变形进行了计算，得出了最佳的焊接方顺序。证明目前工厂采用的焊接顺序是合理的。

（3）对附件焊接过程中产生的焊接变形进行了计算，得到附件焊接完成之后产生的Z向挠度为6.74mm，后期需要进行火焰调修处理。

（4）对附件焊接过程中产生的焊接残余应力进行了计算，得到了大型构件下的残余应力分布形态。

（5）由于该箱型结构侧梁具有很大刚性，单纯改变焊接顺序进行焊接变形量的控制很难达到生产要求。但weld-planner可实现大型结构件焊接变形与残余应力的快速仿真计算，在大型焊接结构件新产品试制过程中具有重要的指导意义。

参考文献：

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[8] 仲兆亮. 1 6MnDR钢的焊接工艺分析[ J ] . 化工建设工程, 2003,25 (4) : 33-37.