机车转向架构架侧梁焊接变形的数值模拟及实验比较

【摘 要】 机车转向架构架大多采用焊接结构，由不同尺寸，不同形状的箱型结构梁构成。由于焊接过程中急剧地非平衡加热及冷却，将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形，这将影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性。本文使用morfeo焊接模拟软件对焊接过程进行了瞬态模拟，计算了焊接变形，并结合实际测试进行了对比，结果表明数值模拟的结果与实际基本一致，使用数值模拟的方法在企业实际生产中可以起到指导作用。

【关键词】 转向架 构架 焊接数值模拟 morfeo

转向架是机车的关键部件，构架是转向架主要承载结构，其焊接变形直接影响到转向架整体质量及机车运行的安全性。如何在焊接过程中减小和控制焊接变形，是一个亟待解决的工程问题。特别是随着制造技术的发展，对焊接变形控制的要求越来越严格。科学地、定量地预测焊接变形影响规律，并在此基础上给予最优控制，采取有针对性措施控制或消除焊接残余变形，这不仅对转向架构架焊接本身，而且对其它焊接构件的完整性设计和制造工艺方法的选择，以及运行中的安全评定都具有重要的理论价值与工程意义。通过选择最佳的焊接工艺措施，例如施加焊接变形补偿余量、调整焊接温度场以及采用合理的工装夹具，是控制焊接变形的最有效的方法[1]。本文中采用morfeo焊接模拟软件对转向架进行了焊接模拟。Morfeo软件可以考虑焊接材料，焊接参数，环境温度，焊接顺序，焊接速度，焊接位置和工装夹具对焊接过程造成的影响，分析对焊接变形影响较大的因素，通过调整各种工艺参数使变形最小，达到优化工艺的目的。

1 大型结构焊接模拟计算

对于转向架等大型焊接结构，其焊缝往往具有多层多道的特点，焊接工艺本身也是较为复杂的非线性问题，材料的温度变化范围大，使计算过程中不可避免地遇到计算规模大、求解困难等问题，所涉及的主要关键技术包括：

1.1 热源校核

在焊接有限元模拟中，热源相当于实际的焊枪输出能量，热源的建立及校核非常重要。虽然模拟软件都会提供热源模型（如高斯，双椭球等），但是实际的参数必须针对各种情况进行实验和模拟校核，以实验为校核依据，保证焊接工艺计算结果的可靠性。

1.2 求解计算

在有限元领域，焊接过程的热-机耦合物理行为的数值模拟难度最大。这些复杂物理行为的数值模拟，需要高端计算机进行并行计算，来提高计算速度。目前也有采用其他方法对焊接模拟进行简化计算，如固有应变法和局部整体法。但是对于精确结构的求解计算来讲，这些简化方法有些不能满足实际的需要。因此，使用并行技术来求解瞬态问题是比较好的方法。

2 焊接模拟

2.1 模型建立及网格要求

机车转向架构架侧梁实际生产照片如（图1）。

由于转向架构架侧梁结构和焊接工艺都是对称的，所以采用了对称分析，这样可以大大减少计算量，节省计算时间，网格模型要求节点全部对应，尽量使用六面体单元，焊接位置网格进行密集划分，同时考虑网格之间的过渡。

2.2 建立模拟

温度场的数学模型为：

温度T（x，y，z，t）作为空间坐标（x，y，z）与时间t的函数，在区域Ω中的任一点均应满足下面所示的微分方程式：

式中：T为温度，（K）；t为时间（s）；ρ为密度（kg/m3）；k为热导率（W/（m・K））；为区域Ω中的热源（W/m3）；cp为比定压热容（J/（kg・K））。

在区域Ω的边界上等温边界条件为：

热流和换热边界条件为：

式中：n为边界表面外法线方向；为表面传热系数，（W/（m2・K）），Ta为周围介质温度（K）；q为单位面积上的外部输入热流量（W/ m2）。

焊接方法为：MAG，富氩气体保护焊，采用机器手自动焊。

热源的模型采用经典的双椭球热源模型。

通过与实际对比，确定了焊接模拟参数，用于后续的焊接模拟计算。

转向架构架侧梁焊接零部件材料为16MnDR，在焊接模拟中，材料的温度变化比较剧烈，温度变化范围大，要准确模拟焊接过程，材料各种属性都要包括从低温到高温下的一系列参数。

整体焊接顺序为：（1）组焊下盖板，四条对接焊缝每条焊四层，依次交替焊接；（2）内部焊缝焊接，由组装定位焊好的立板隔板与下盖板组装后，手工焊接侧梁内部角焊缝，先从中间向两边依次焊接各隔板与下盖板的角接焊缝，再转动工装从中间向两边先后焊接两立板与下盖板的角接焊缝，组装上盖板，焊接两对接焊缝；（3）侧梁体上机器手焊接主焊缝，每条从中间向两边分三层焊，先焊接立板与上盖板的两条角接焊缝，再焊立板与下盖板的角接焊缝，整体按打底―中间层―盖面顺序进行。

边界条件分为两种，热边界条件和应力边界条件。热边界条件为与空气的热传导和辐射。环境温度为4～12℃。

3 求解结果与实测

3.1 模拟求解

根据第2步设置完焊接条件后，对各焊接线设定好焊接顺序，即可计算得到相关的结果。由于转向架构架侧梁尺寸大，焊缝多，焊缝总长度长，相应需要的计算资源比较大，需要采用并行计算的方式。

按照实际焊接的顺序进行模拟，模拟结果变形如（图2）。

3.2 实测比较

对各工序的实际模拟与变形比较，发现模拟结果与实际较为接近，能够反应出焊接过程的变形。下面（表1）列举侧梁总体组装的焊接变形模拟结果与实际结果的比较。（单位mm）

4 结语

通过上面的分析，我们可以得出如下结论：（1）焊接模拟软件可以考虑焊接工艺及焊接参数对焊接过程造成的影响。（2）焊接变形模拟结果与实测的结果基本符合，能够再现和反应实际焊接过程。 （3）可以通过模拟的方法对实际焊接过程进行预测分析，为预测、控制和提高焊接构架质量提供有效途径，为新产品的焊接工艺放量和工装夹具设计以及焊接参数、焊接顺序等工艺因素的制定提供理论依据，也可以为其他焊接零件提供参考，整体提高焊接工艺水平。

参考文献：

[1]汪建华.焊接数值模拟技术及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，2003.

[2]张文钺.焊接传热学[M].北京：机械工业出版社.

[3]Morfeo使用手册2013.比利时GEONX公司.