基于SYSWELD的列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)焊接數(shù)值模擬

1、摘要：列車的轉(zhuǎn)向架是保證車輛運(yùn)行品質(zhì)與運(yùn)行安全的關(guān)鍵部件，構(gòu)架又是其最重要的組成承載部件。因此，研究列車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架殘余應(yīng)力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系，具有非常重要的意義。根據(jù)列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架建立其幾何模型、劃分網(wǎng)格、設(shè)置熱源參數(shù)，采用ESI 焊接專業(yè)軟件SYSWELD 對(duì)列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)焊接進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。為優(yōu)化工藝措施，調(diào)整應(yīng)用多種焊接順序工況進(jìn)行模擬，并進(jìn)行對(duì)比。關(guān)鍵詞：SYSWELD ；轉(zhuǎn)向架；構(gòu)架；雙橢球體熱源模型中圖分類號(hào)：TG 409文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：10012303(2012100025-03第42卷第10期2012年10月Vol42No10Oct 2012Electric

2、Welding Machine孫傳政，潘亦蘇，羅征志(西南交通大學(xué)，四川成都610031Numerical simulation of welding for the bogie structure of rolling stockbased on SYSWELDSUN Chuan-zheng ，PAN Yi-su ，LUO Zheng-zhi (Southwest Jiaotong University ，Chengdu 610031，China Abstract ：the bogie of rolling stock is a key part to ensure riding quali

3、ty and operation security of a train, of which the frame is themost important bearing component. It makes a lot of sense to research welding and the relation between welding residual stress and structural strength of the frame of the bogie. After building its three-dimensional model, mesh and settin

4、g the heat source parameter, it is performed with SYSWELD software to simulate numerically welding for the bogie structure of rolling stock, and the result matches with experimental results well. To optimize the technology, there are some kinds of welding process simulated and compared with others t

5、o show the optimum one.Key words ：SYSWELD ；bogie ；frame ；numerical simulation 收稿日期：20120322收稿日期：中央高?；究蒲匈Y金資助項(xiàng)目(SWJTU09ZT23，SWJTU09BR102作者簡(jiǎn)介：孫傳政(1985 ，男，湖南常德人，碩士，主要從事焊接數(shù)值模擬研究工作。0前言機(jī)車轉(zhuǎn)向架普遍采用焊接結(jié)構(gòu)，因此焊接質(zhì)量的好壞至關(guān)重要。由于焊接生產(chǎn)中往往會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形，在車輛高速運(yùn)行下不僅會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力，還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)充分考慮焊接應(yīng)力和變形這一特點(diǎn)是十分

6、重要的1?？梢?jiàn)，對(duì)轉(zhuǎn)向架焊接應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算和分析有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。采用數(shù)值模擬方法對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行數(shù)值仿真優(yōu)勢(shì)明顯，是解決這一問(wèn)題的良好手段。在此，基于SYSWELD 對(duì)列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接過(guò)程及不同工藝下的焊接進(jìn)行模擬，得到了各個(gè)工況下焊接動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)分布情況和變化規(guī)律，明確不同步驟、不同處理工藝后的殘余應(yīng)力分布、變化情況，旨在為實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)提供一定的理論依據(jù)。目前對(duì)鐵路機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架大結(jié)構(gòu)部件焊接溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行精確模擬的報(bào)道較少，本研究以SYSWELD 專業(yè)焊接模擬軟件為基礎(chǔ)，定義了材料屬性，采用合理的熱源模型，優(yōu)化網(wǎng)格，對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。1模型建立11幾

7、何模型和網(wǎng)格模型的建立列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由橫梁、側(cè)梁和空氣室三部分組成。由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架模型較為復(fù)雜，采用ProE 建基于SYSWELD 的列車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)焊接數(shù)值模擬屈服強(qiáng)度R eL /MPa365表2SMA490BW 鋼力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度R m /MPa490610伸長(zhǎng)率A /%15立其幾何模型，并進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化， 如圖1所示。共有12條焊縫，主要為空氣室的焊接和橫梁、側(cè)梁之間的環(huán)焊縫兩大部分組成?？紤]當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件條件對(duì)模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化以建立網(wǎng)格。圖1列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架幾何模型采用Hypermesh 軟件建立網(wǎng)格。在有限元分析中，網(wǎng)格的劃分直接關(guān)系到計(jì)算的精度和效率，因此應(yīng)根據(jù)溫度梯度變化情況采取適當(dāng)

8、的設(shè)置，即在焊縫及其附近區(qū)域用較細(xì)的網(wǎng)格以提高計(jì)算精度，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域用較稀疏的網(wǎng)格以減小運(yùn)算規(guī)模、節(jié)約計(jì)算時(shí)間2。有限元模型全部采用六面體單元，相比較四面體單元可以有效控制網(wǎng)格規(guī)模，提高計(jì)算穩(wěn)定性和精度，如圖2所示。網(wǎng)格模型共有89890個(gè)3D 單元，129598個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架網(wǎng)格模型12材料參數(shù)本研究所用材料為制造轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用的SMA490BW 低合金鋼，其組織為晶粒細(xì)小的鐵素體+少量珠光體，化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)材料的力學(xué)性能參數(shù)在SYSWELD 中自定義材料屬性，建立針對(duì)SMA490BW 的材料屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，力學(xué)性能如表2所示。13約束條件設(shè)置根據(jù)焊接工藝要求，在焊接時(shí)列車轉(zhuǎn)

9、向架構(gòu)架有多處位置施加有約束和支撐，計(jì)算中完全按照焊接工裝上的位置實(shí)施相應(yīng)方向上的約束，盡可能使模擬與實(shí)際一致。約束情況如圖3所示。圖3焊件約束2溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立焊接溫度場(chǎng)的精確描述是進(jìn)行焊接應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，焊接溫度場(chǎng)決定了焊接應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。焊接過(guò)程中熔池是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶的。本研究對(duì)列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行MAG 焊，熔池是以等速隨熱源而移動(dòng)的。在熔池中金屬的熔化和凝固過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，在熔池的前半部進(jìn)行熔化過(guò)程，熔池的后半部進(jìn)行凝固過(guò)程。據(jù)此，數(shù)值模擬選擇雙橢球體熱源模型3。為提高計(jì)算精度，應(yīng)用SYSWELD 特有的熱源校正工具對(duì)熱源進(jìn)行校正，使熱源熔池最終與實(shí)際熔池基本吻合。前、后半部分橢球

10、熱源具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為4q f (x ，y ，z =ab 1c 姨exp -3x 2-3y 21-3z 222，y 0q r (x ，y ，z =6f UI ab 1c 姨exp -2a 2-2b 22-2c 222，y 0式中為電弧熱效率；U 為電弧電壓；I 為焊接電流；f f 、f r 分別為在熔池前、后兩部分總的輸入功率系 數(shù)；a 、b 1、b 2、c 為高斯參數(shù)。3結(jié)果和分析列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由壁厚11mm 、外徑203mm的橫梁圓管和側(cè)梁(其中下蓋板壁厚12mm ，其余均為8mm 共12條焊縫焊接而成。焊接工藝參數(shù)：電壓25V 、電流250A 、焊接速度8mm/s、保護(hù)氣體為(Ar80%+(CO220%。焊接結(jié)束后，整個(gè)列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架冷卻至室溫，應(yīng)力分布如圖4所示，變形如圖5所示。為驗(yàn)證仿真結(jié)果可靠性，將所得模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果取重點(diǎn)關(guān)注構(gòu)架連接焊縫對(duì)比，如圖6所示。w (C0.18w (Mn1.40w (Si0.150.65w (Cu0.300.50w (Cr0.450.75w (Ni0.050.30w