《侧梁焊接变形》word版.doc

目 录 I 目 录 第一章 绪 论.1 1.1 引言.1 1.2 课题研究的目的和意义.1 1.3 国内外研究现状 3 1.3.1 焊接仿真研究现状3 1.3.2 侧梁焊接仿真研究现状4 1.4 转向架构架侧梁焊接工艺 5 1.4.1 武汉地铁 2 号线、八轴机车转向架构架简介.5 1.4.2 武汉地铁 2 号线构架侧梁焊接工艺7 1.4.3 八轴机车侧梁焊接工艺9 1.5 本文主要研究的方法和内容.13 第二章 焊接变形仿真理论基础.15 2.1 有限元及相关基础理论介绍.15 2.1.1 有限元的基本思想.15 2.1.2 morfeo 软件介绍15 2.2 基于MORFEO的构架焊接热源校核 .16 2.2.1 温度场数学模型.16 2.2.2 焊接过程物理模型.17 2.2.3 热源校核.19 2.3 本章小结 20 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究.21 3.1 建立武汉地铁 2 号线侧梁有限元模型 21 3.1.1 建立三维模型.21 3.1.2 划分网格.21 3.2 武汉地铁 2 号线侧梁仿真结果及分析 22 3.2.1 下盖板组装仿真结果.22 3.2.2 立板、下盖板与隔板组装仿真结果.27 3.2.3 整体组装仿真结果.30 3.2.4 武汉地铁 2 号线侧梁体焊接变形仿真总结33 3.3 本章小结 34 目 录 - II - 第四章八轴机车侧梁仿真变形研究.35 4.1 建立八轴机车侧梁有限元模型 35 4.1.1 建立三维模型.35 4.1.2 定义材料属性与焊接规范.36 4.1.3 划分网格.36 4.2 八轴机车侧梁仿真结果及分析 37 4.2.1 侧梁立板组装仿真结果.37 4.2.2 下盖板组装仿真结果40 4.2.3 上盖板组装仿真结果.42 4.2.4 下盖板、隔板与立板组装.45 4.2.5 侧梁体组装仿真结果.48 4.2.6 八轴机车侧梁体焊接变形仿真总结.51 4.3 本章小结.52 第五章 仿真结果与试验结果对比.53 5.1 武汉地铁 2 号线侧梁焊接变形仿真结果与试验结果比较.53 5.2 八轴机车侧梁焊接变形仿真结果与试验结果比较.55 5.3 结论.56 结 论.57 参考文献.58 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明.62 致 谢.63 个人简历.64 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 引言 随着国民经济的快速发展以及国家对铁路及城市轨道交通行业的大力支持， 我国铁路、轨道交通装备行业得到迅猛发展。其中铁路行业正以快速、重载的模 式不断发展；城市轨道交通中地铁作为方便快捷的交通工具，可以满足短时间、 高密度、长距离、大运量等运输要求，有效地缓解了城市交通的拥堵问题，成为 目前当今社会城市交通运输的发展趋势。 转向架是电力机车及地铁车辆的主要组成部分之一。它主要用来承受车体的 重量，传递牵引与制动载荷，并利用轮轨间的粘着保证牵引力的产生。转向架结 构性能的好坏，直接影响机车的牵引能力、运行品质、轮轨的磨耗和列车的安全 1。构架作为转向架的重要部件之一是连接转向架各组成部分的骨架，它不仅承 受机车及地铁车辆上所以装备的质量，而且还承受和传递机车、地铁在运行过程 中产生的各种不同方向和随机变化的力。为了保证轮对、悬挂系统、牵引系统、 电机悬挂系统以及制动系统等部件可靠地工作，要求转向架构架不仅要有足够的 刚度和强度，还要有足够的尺寸精度，才能保证机车及地铁车辆在高速下平稳、 安全地运行2。所以如何保证机车及地铁转向架构架焊接结构的安全性以及尺寸 精度和安装精度是长期以来轨道交通装备行业需要重点关注的问题。 1.2 课题研究的目的和意义 电力机车及地铁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。电力机车转向架构架一般由左、右两根侧梁，一根或几根横梁或 者端梁组成。二轴转向架构架中间有一根横梁，前后各有一根端梁呈“日”字形； 也有的二轴转向架没有端梁呈“H”形。三轴转向架中间有两根横梁前后各有一 根端梁呈“目”字形。地铁转向架构架通常由左、右两根侧梁，一根横梁组成呈 “H”形。机车及地铁转向架构架侧梁的主要作用是向轮对传递垂向力、横向力 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 和纵向力以及规定轮对的位置。横梁的主要作用是保证构架在水平面内的刚度， 保持每个轴的平行以及承托牵引电机等部件3。 和其它焊接结构一样，构架在焊接过程中由于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，这是影响结构设计完整性、制造工艺 合理性和结构使用可靠性的关键因素，它会导致在焊接接头中产生冷、热裂纹等 隐患，在一定条件下，还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等，产 生极为不利的影响，因此，在产品的使用过程中，由于焊接残余变形的存在，造 成了许多安全隐患。 为了避免由于构架各部件焊接变形而导致的结构几何不完整性和产品质量不 稳定性，顺利进行构架大组装，在侧梁等部件焊接后必须增加附加工序矫正变形， 通常采用火焰矫正和机械（压力机）矫正两种方法，这不但浪费时间，而且要花 费大量资金。有资料显示，在焊接构架生产中，每台车仅采用压力机矫正构架侧 梁焊接变形的工时和能耗费用就有 0.5 万元。而且采用火焰矫正和机械矫正焊接 变形，会导致安全隐患，如焊缝附近发生区域压裂的现象，造成不必要的损失。 因此，如何在焊接过程中减小和控制焊接变形直接决定着车辆的行车安全，是一 个亟待解决的工程问题。特别是随着制造技术的发展，对减少和控制焊接变形的 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。 本文以 MORFEO 焊接仿真专用系统为平台，基于焊接过程数值模拟，结合 实测与试验，对大型焊接结构焊接变形的数据仿真方法进行研究，寻找一种既能 解决工程问题，又比较经济的预测和控制焊接变形的方法，为减少和控制构架焊 接变形提供数值依据。 第一章 绪 论 - 3 - 1.3 国内外研究现状 1.3.1 焊接仿真研究现状 随着计算机技术和有限元数值分析技术的不断发展，焊接仿真越来越受到人 们的重视并得到迅猛发展。20 世纪 70 年代初，日本学者4第一次以有限元法为 基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，构造了二 维平面模型，研究了屈服应力和弹性模量等参数对焊接过程中的应力、应变和残 余应力的影响。1993 年 Dnaeiwicz S R5等人利用线弹性有限元数值分析的方法预 测了大形海洋船体结构的焊接变形。 Ueda 等人6-7研究了接接头 T 型接头和 I 型接头的固有应变分布，并基于此 来预测研究焊接残余应力。Murakawa 等人8-10采用基于固有应变法，研究了多道 焊接条件下焊接变形及残余应力。 Michaleris 和 DeBiccari11开发了一种两步法 的数值分析程序来预测焊接引起的变形。在他们的方法中，二维热焊接仿真被用 以确定焊接残余应力。然后，残余应力被导入到一个三维模型结构用于弹性分析。 汪建华等人12-14讲述了弹性有限元的固有应变法和残余塑变法联系和原理，并认 为将已有的残余塑变的研究成果引入固有应变理论将取得事半功倍的效果。同时 介绍了固有应变有限元法预测焊接变形的理论和方法并对热弹塑性有限元分析方 法和固有应变有限元分析方法分别进行了比较，从计算量和计算时间考虑，认为 预测大型复杂结构焊接变形固有应变法有优势。魏良武等人15利用热弹塑性有限 元方法对液力变矩器焊接变形进行了数值分析模拟，预测了液力变矩器在不同工 艺参数下的焊接变形，其模拟结果与实测数据较好地吻合，通过焊接变形模拟可 以提供合理的焊接方法与工艺参数，为焊接工装夹具的设计等提供了重要的试验 依据。同时魏良武等人16还用固有应变（残余的热应变、塑性应变和相应变总和） 作为初始应变，对大型复杂结构的焊接变形进行了成功的预测。中国北车集团崔 晓芳等人17通过固有应变分析法对箱型结构焊接变形进行预测，并通过“中华之 星”和 SS7 机车等产品的应用实例讲述了固有应变法测算大型结构复杂件变形情 况更具实用价值。Deng 等人18先用基于 ABAQUS 代码编程的热弹塑性有限元方 法评估不同的焊接接头内在变形然后在此研究基础上开发了一种新的弹性有限元 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 法来预测大型焊接结构的焊接变形，并对焊缝初始间隙对焊接变形的影响进行了 研究。该研究得出：新开发的热弹塑性有限元法可以有效地用于预测不同焊接接 头的固有变形；而且两种模型的模拟结果与实验吻合良好；焊接接头初始间隙对 最终焊接变形有一定的影响，所以为了准确地预测大型结构焊接的变形，应该要 考虑装配过程中间隙的影响。Deng D 和 Murakawa H 两位学者19采用热弹塑性 有限元法研究了薄板对接接头焊接中焊接温度场，残余应力的分布以及焊接的变 形。同时，进行了实际焊接实验中焊接变形的测量。此外，在同一对接接头中， 弹性有限元法基于固有应变理论也被利用来模拟焊接变形。研究结果表明：虽然 看可以用大变形理论和小变形理论预测类似的塑性应变，然而，最终的焊接变形， 特别是由这两种方法所计算的的变形是有很大不同的。通过与实验结果进行比较 可以得出由热弹塑性，大变形有限元法是在与测量结果有很好的一致性。因此， 能够精确地预测薄板结构中的焊接变形。 1.3.2 侧梁焊接仿真研究现状 在实际焊接生产中如果能够事先掌握转向架构架侧梁的焊接变形规律, 就可 以有效地控制焊接变形, 减少焊后矫正，从而降低生产成本。因此，近年来焊接 仿真技术特别是对焊接变形的仿真和预测已经在转向架构架焊接生产过程中得到 了广泛的应用。而且已经开发出许多种焊接仿真软件用于转向架构架侧梁的焊接 变形仿真。崔晓芳20等人利用数值模拟的方法研究了高速动力车构架侧梁焊接过 程中，焊接热输入量对侧梁焊接变形量的影响。研究中采用了 30 kW/m2、 25 kW/m2、 20 kW/m2、 15 kW/m2和 10 kW/m25 种焊接热输入进行了研究，结果表 明，热输入量与残余变形并非是线性关系，残余变形随热输入量的增大呈而先增 大后减小的趋势。所以存在一定的热输入量范围使侧梁焊接残余变形最小，从而 为生产过程中控制转向架构架侧梁焊接变形提供了数值依据。与此同时崔晓芳21 等人还以热弹塑性理论为基础，基于热-机耦合算法用 Marc 软件件研究了高速机 车构架侧梁内部焊缝和外部主焊缝焊接顺序对侧梁焊接变形的影响，从而得到了 焊接顺序对构架侧梁焊接变形的规律，为生产过程中控制构架侧梁焊接变形提供 了数据支持。李娅娜22-23等人以机车转向架构架侧梁为研究对象，基于热-机耦合 第一章 绪 论 - 5 - 有限元和现场测量的方法采用分段移动串热源模型和并行计算技术对构架侧梁焊 接变形进行了数值仿真研究，结果表明：机车转向架构架侧梁焊接仿真结果中的 侧梁立弯、旁弯以及纵向收缩变形与实际测量结果基本一致。张三磊24等人采用 固有应变分析法对 6 轴机车侧梁焊接变形进行了预测，同时利用 HXD1 的实测值 和理论计算值比对，并不断优化系统参数，完善固有应变数据库，通过验证，实 测值与计算值相吻合。倪宝成25等人以 B 型地铁 14t 转向架侧梁为研究对象基于 ANSYS 平台热弹塑性有限元分析，采用单元生死技术模拟焊缝形成过程并对侧 梁焊接残余应力与变形进行了模拟，其模拟结果与实际情况吻合，从而证明了用 数值模拟方法进行焊接工艺优化的可行性。国内外还有许多类似关于数值模拟方 法用于机车或者城轨车辆转向架构架焊接工艺优化的研究26-28。 1.4 转向架构架侧梁焊接工艺 1.4.1 武汉地铁 2 号线、八轴机车转向架构架简介 武汉地铁 2 号线采用的是南车株洲电力机车有限公司生产的 ZMC080 转向架 其构架是由两根侧梁和一根主横梁焊接而成的“H”形构架，如图 1-1 所示。构 架的材料采用低合金钢强度结构钢 16MnDR、无缝钢管采用低合金钢强度结构钢， 具有优良的力学性能和焊接性能。构架焊接符合 EN 15085 标准。侧梁设计成中 间凹的鱼腹形，中间凹下去以便空气弹簧有足够的空间。侧梁上有垂向减振器安 装座、横向减振器安装座、抗侧滚扭杆安装座、转臂定位关节座等部件。构架的 横梁采用无缝钢管，有电机安装座、齿轮箱吊杆安装座和横向止挡座等部件29。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 图 1-1 武汉地铁 2 号线构架 Fig.1-1 Metro bogie of Wuhan line 2 八轴机车转向架主要用于HXD1型电力机车，其构架为H型构架, 由两根侧梁、 一根牵引梁、一根前端梁和一根后端梁组成，如图1-2。该构架总体结构呈对称。 构架的材料采用低合金钢强度结构钢16MnDR。该构架焊接后, 构架变形小, 残余 应力分布均匀, 因此不需要进行退火处理。 构架采用等刚度设计, 构架的各个零 部件的应力水平比较低, 且应力变化趋势平稳30-32。 图 1-2 八轴机车构架 Fig.1-2 Bogie of 8 axles electric locomotive 第一章 绪 论 - 7 - 1.4.2 武汉地铁 2 号线构架侧梁焊接工艺 武汉地铁 2 号线侧梁焊接主要分为五个步骤：下盖板组焊立板隔板组焊 侧梁体组焊侧梁主焊缝焊接侧梁附件组焊。 下盖板由端下盖板（左） 、中间下盖板、端下盖板（右）组成，见图1-3。首 先进行来料检查，用检测样板检查中间下盖板（右）的折弯角度，检查下盖板组 成（右）的各板料的坡口钝边，保证各零部件符合图纸要求。焊接前对配件焊缝 区20-30mm范围内进行打磨，见金属光泽。打磨后进行下盖板组装，用磁力吊具 依次将中间下盖板（右） 、端下盖板（右） 、端下盖板（左）依次吊入下盖板组成 工装，按图组装好并压紧固定；检查组装间隙，若不能满足焊接3-5mm间隙，必 须进行打磨处理，保证组装间隙。对接焊缝高低差不大于1mm。符合图纸要求后 在坡口背面安装焊接用陶瓷垫板。焊接对接焊缝，分三层施焊，先打底焊，焊接 时必须每焊接一层后交替焊接，焊接方向必须相同（向工装定位点方向施焊） ； 以上焊接，焊接完成每层后，必须等离焊缝25mm处冷却到约150度以下才能进行 下一层焊接。焊接顺序和焊接方向见图1-3。待工件冷却至150度后从工装中吊出， 进行调修，最后进行精整。 图 1-3 下盖板组成 Fig.1-3 Bottom cover plate assembly 立板、隔板组焊由内立板、外立板、隔板、隔板（左） 、隔板（右） 、隔板 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - （三）组成。首先同样进行来料检查，保证符合图纸要求，检查上工序送来的配 件是否均贴有合格标识，是否符合工艺质量要求，重点检查侧梁立板折弯角度以 及坡口、钝边。然后打磨配件上焊缝两侧20mm范围内至见金属光泽。用天车副 钩将侧梁内立板、侧梁外立板调入侧梁立板、隔板组装胎，然后将隔板（左） 、 两个隔板、隔板（右） 、隔板（三）放入侧梁立板、隔板组装胎，按图纸尺寸调 整安装立板及隔板，横向、纵向、垂向定位夹紧见图1-4。组装完成后进行定位焊。 图1-4 立板、隔板组成 Fig.1-4 Vertical plate and partition plate assembly 侧梁体组焊由下盖板组成、立板隔板组成、端上盖板（右） 、端立板（右） 、 交叉腹板、中间上盖板、端上盖板（左） 、端立板（左） 、焊接垫板、空气簧座板 组成，见图1-5。首先进行来料检查，检查完成后对配件进行焊前打磨，然后进行 装配。将下盖板组成(右)吊入侧梁梁体组装胎，检查下盖板与工装定位点是否配 合到位，若不到位则需要调修，使之配合到位。然后吊入上工序定位焊焊好的立 板、隔板组成，检查立板隔板组成与下盖板的配合情况，保证立板与下盖板配合 间隙不大于1mm，配合到位后定位夹紧。工装夹紧后定位焊。定位焊后进行侧梁 内部焊缝焊接，内部焊缝焊接在侧梁梁体组装胎上进行施焊。焊接时先焊接隔板 与下盖板组成以及交叉腹板与下盖板的内部角接焊缝；然后焊立板与下盖板的角 接焊缝；最后焊接交叉腹板与立板的角接焊缝；所有焊缝焊接时,焊缝处于平焊位 置并从中间向两边对称施焊。精整打磨内部焊缝后进行上盖板组焊。当侧梁内部 焊缝焊好并冷却至150以下，将侧梁中间上盖板吊入，按图纸调整位置，夹紧 并定位焊。然后组装端立板（左）和端立板（右） ，接着在中间上盖板两端组装 第一章 绪 论 - 9 - 永久焊接垫板并定位焊。最后入端上盖板（左)和端上盖板（右） ，保证对接焊缝 间隙3-5mm，夹紧并定位焊。组装并定位焊后进行侧梁上盖板对接焊缝焊接，然 后焊端立板焊缝，最后组装空气簧座板并定位焊。 图1-5 侧梁体组成 Fig.1-5 Side beam assembly 侧梁体主焊缝焊接采用机械手焊接，由中间向两边对称施焊。侧梁体主焊缝 焊接完成后按图纸要求进行侧梁体附件组装并焊接。 1.4.3 八轴机车侧梁焊接工艺 八轴机车侧梁焊接主要分为六个步骤：立板组成组焊下盖板组成组焊立 板隔板组焊侧梁组焊主焊缝焊接附件组焊。 立板组成组焊由立板、加强板（左） 、加强板（右）组成。组装前检查立板 和加强板是否符合图纸和工艺要求，然后将加强板放入与立板组装配合的位置， 进行调整，使得立板与加强板的组装间隙保证在3-4mm，同时保证其他相应的组 装尺寸，压紧工装如图1-6。组装好后打磨加强板和立板的连接焊缝内及周围20- 30mm范围，清除杂质并在焊缝两端加焊接引弧板。装好引弧板后开始立板组成 焊接。打底焊时，从焊缝中间位置开始焊接，焊接到引弧板结束，再从中间位置 向另外一端焊接到引弧板结束，焊接前必须打磨接头位置，保证焊接质量，焊完 后以同样的顺序打底焊接另一条焊缝；中间层和盖面的焊接从焊缝一端的引弧板 开始焊接，一直焊接到另一端的引弧板位置结束，中间不停弧；每条焊缝焊接完 一层就焊接另一条焊缝的相同层，交替进行焊接。焊接顺序见图1-4。所有焊接每 层焊接完后，必须等焊缝冷却到离焊缝25mm处低于约150才能进行下一层的焊 接，并且要保证层间清理干净。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 图 1-6 立板组成 Fig.1-6 Vertical plate assembly 下盖板组成组焊由中间下盖板、轴箱拉杆座、下盖板外面（左） 、下盖板外 面（右）组成。将中间下盖板、轴箱拉杆座、下盖板（外面） （左） 、下盖板（外 面） （右）吊到组装胎上，按照图纸要求组装好如图1-7，并压紧固定，检查各板 之间的组装间隙，如不能满足焊接质量要求的3-4mm间隙，必须进行打磨处理， 保证组装间隙。对接焊缝高低差不超过1mm。组装完成后在焊缝背面装陶瓷垫板。 下盖板组成焊接。旋转转胎，使焊缝处于平焊位置才能进行焊接，焊接前对焊缝 进行清理，清除杂质。焊接时，从焊缝的一端焊接到另一端，中间不停弧，同时， 每块下盖板组成的四条焊缝必须各焊接一层的交替进行焊接，并且焊接的方向必 须一致。焊接完成每层后，必须等离焊缝25mm处冷却到约150以下才能进行下 一层的焊接，并且要保证层间清理干净。 第一章 绪 论 - 11 - 图1-7 下盖板组成 Fig.1-7 Bottom cover plate assembly 立板隔板组焊由立板组成、加强筋、加强筋（左） 、加强筋（右）组成。首 先进行来料检查，检查各部件是否符合图纸要求，并打磨焊接区域见金属光泽。 然后将立板入梁体组装胎，按照定位基准要求放入组装胎，并按照定位基准要求 进行固定；接着吊隔板到组装胎，按照位置要求和定位要求放好，压紧立板隔板， 检查各定位位置是否符合要求，见图1-8。安装好后进行定位焊。 图1-8立板、隔板组成 Fig.1-8 Vertical plate and partition plate assembly 侧梁组焊由下盖板组成、立板隔板组成、上盖板组成（内面） 、上盖板（外 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - 面） （左） 、上盖板（外面） （右） 、二系减振器座、焊接垫板组成。首先进行组装 前检查各部件是否符合图纸和工艺要求。然后进行组织，先将下盖板组成吊到侧 梁体组装胎上，按照定位位置要求放好。吊立板隔板组成部件到组装胎，按照组 装位置要求放好;将各部件压紧。检查下盖板组成与立板、隔板组成的组装情况， 局部间隙不能大于1.5mm，大部分位置不允许有间隙，间隙过大必须进行立板的 修磨，以达到要求见图1-9。组装好后进行定位焊：定位焊时先点焊立板、隔板组 成与下盖板组成的连接处，再在下盖板组成圆弧附近的直线部位进行点焊。定位 焊后进行侧梁体内部焊缝焊接：焊接时先焊接隔板与下盖板组成的内部角接焊缝， 再焊接立板与下盖板组成的内部焊缝，焊接时，从中间向两边对称施焊，焊缝处 于平焊位置；最后焊接隔板与立板的角接焊缝，同样先焊接中间的隔板，再向两 边的隔板进行焊接。焊接完内部焊缝后进行侧梁体上盖板组装：将中间上盖板吊 到组装胎上，定位、配合并压紧；检查并标识上盖板中心线到下盖板组成两端的 距离是否对称。吊上盖板（外面） （左） （右）上组装胎，定位压紧。检查中间上 盖板与上盖板（外面）对接焊缝的间隙，保证在3-4mm，合格后再对接焊缝处于 梁体内部的位置加焊接垫板，在对接焊缝处于梁体外部的位置加陶瓷垫板。组装 完成后进行定位焊，然后进行上盖板对接焊缝焊接。焊接时，两条焊缝交替进行 焊接，先进行打底焊，焊接时，必须先从一条焊缝的一端焊接到另一端的立板位 置，再从另一端开始焊接到立板位置焊接，再进行中间层和盖面焊接。焊接完成 后进行二系减震器座组焊。 图1-9 侧梁体组成 Fig.1-9 Side beam assembly 第一章 绪 论 - 13 - 侧梁体主焊缝焊接采用机械手，由中间向两边对称施焊。侧梁体主焊缝焊接 完成后按图纸要求进行侧梁体附件组装并焊接。 1.5 本文主要研究的方法和内容 本文研究采用数值仿真与物理实验相结合的方法进行。以 MORFEO 焊接仿 真专用系统为平台，基于焊接过程数值模拟技术，结合实测与试验，对构架焊接 结构焊接变形的数据仿真进行研究。主要内容为以下几方面： 1) 现状调查及实测 对工厂目前组织生产的武汉地铁 2 号线和八轴机车焊接构架的焊接工艺及装 配过程进行调查，掌握生产一线具体采用的工艺参数（包括电压、电流、速度、 拘束条件、以及焊接顺序等） ，形成影响焊接变形的工艺调查报告。同时，采用 三坐标测量仪，对焊接构架侧梁的焊接过程及结果进行反复测试，得到相应的焊 接变形数据，为后续焊接变形仿真打下实验基础。 2) 焊接热源实验与校核 焊接热源模型是正确实现焊接过程数值模拟的基本条件。需要将构架焊接所 涉及的热源模型，从焊接部件尺寸、所采用的工艺参数、坡口结构和尺寸不同方 面考虑，分别进行相应的物理实验，并在此基础上，进行变形仿真所需要的热源 模型的计算和校核。 3) 构架焊接变形仿真 模型的精确性是保证分析科学可靠的基本保证，构架焊接变形仿真必须确保 其有限元模型的科学与合理性。为此，在建模过程中，充分考虑焊接基本工艺参 数（如电压、电流、焊接速度等） 、焊序、多道焊等情况，根据由易到难、循序 渐进原则进行有限元建模，使模型逐次逼近焊接构架的实际要求。其过程是：下 盖板焊接过程仿真模型并求解 上盖板焊接过程仿真模型并求解 下盖板及 侧梁隔板组装梁焊接过程仿真模型并求解 上下盖板及侧板隔板整体组装焊接 过程仿真模型求解，以便将其仿真过程及规律性的成果，用于指导焊接构架侧梁 焊接过程。 通过数值模拟技术与实际生产中构架侧梁焊接后的变形数据对比，寻找一种 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 既能解决工程问题，又比较经济的预测和控制焊接变形的方法，为减少和控制构 架焊接变形提供数值依据。从而为制造出具有自主知识产权，适应发展需求的高 性能转向架提供技术支持。 第二章 焊接变形仿真理论基础 - 15 - 第二章 焊接变形仿真理论基础 2.1 有限元及相关基础理论介绍 2.1.1 有限元的基本思想 有限元分析（FEA，Finite Element Analysis） ，是求解数学物理方程问题时被 普遍采用的一种现代数值计算方法，也是随计算机技术发展而出现的解决实际工 程问题的有效计算工具33-35。它的基本思想是结构的离散化，其求解问题主要步 骤通常为：前处理；求解；后处理。前处理中包括物理模型的建立，网格划分还 有物理特性输入和边界条件加载等。 2.1.2 morfeo 软件介绍 有限元软件 Morfeo（Manufacturing Oriented Finite Element tool） ，是比利时开 发的针对加工工艺问题的仿真软件。其功能主要为焊接，裂纹扩展仿真。 Morfeo/welding 可以结合焊接性试验，在设计阶段对焊接零件的材料及零件形状， 工艺参数，输入能量，焊接顺序，焊接速度，焊接位置，夹具进行分析，减少实 验成本和材料浪费，减少工艺设计的周期，得到合格的零件。零件在焊接过程中 肯定会产生应力，进行焊接模拟的目的是控制生产过程，最大限度地减少应力梯 度和表面张力，减少负载循环中产生的裂缝，使得产品的寿命得到延长。同样使 用数值模拟软件 Morfeo/welding 也可以检测到零件表面的压应力，因此避免由于 拉伸应力造成的裂纹风险，从而提高产品的质量。 Morfeo/welding 是基于有限元技术的焊接模拟软件，主要特点有： 友好的操作界面。Morfeo/welding 具有专门的针对焊接工艺模拟的界面，在 界面上方便的定义各种输入条件，使得用户可以快速掌握有限元模拟方法，同时 用户也可以通过直接修改输入文件来修改前处理中的各项参数及材料数据库参数。 高性能计算。 在 Morfeo 开发的早期就设计了并行，提供高效和大规模并行 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 16 - 仿真工具。基于 MPI 标准，Morfeo 的并行版本可以在高性能计算（HPC）体系 诸如集群或共享内存多处理器（SMP）系统运行。 开放的构架。 Morfeo 架构一直都会保持开放，能够使用其他软件进行前后 处理，并与其他仿真工具也能够进行耦合（例如 ABAQUS，SAMCEF，Minamo） ， 同时客户也可以开发子程序。 全面的材料数据库。 Morfeo 软件包含常用的焊接材料数据库，包括钢铁， 铝及合金，钛及钛合金等金属材料，并且可以方便的添加及修改材料数据库。 多场耦合。Morfeo/welding 可以实现交替热机械耦合，热流体耦合，热 机械流体耦合计算，详细分析焊接过程。 自动优化。Morfeo/welding 可以与新一代优化程序（minamo 多学科优化软 件）的连接进行反算分析和工艺优化。 C+语言编辑，易于二次开发。 Morfeo/welding 基于最先进的软件开发技 术和数值方法。利用 C+开发，模块化的有限元软件：包括网格划分，前处理输 入，求解器和后处理结果观察。 并行计算。采用多 CPU 并行计算技术，可以进行大规模求解，减少计算时 间，提高效率。 2.2 基于 morfeo 的构架焊接热源校核 2.2.1 温度场数学模型 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 中的 任一点均应满足下面所示的微分方程式： (2-1) Q z T k zy T k yx T k xt T cp )()()( 式中：T为温度，（K）；t为时间(s)；为密度(kg/ m3)；k为热导率（W/ (mK)）；为区域中的热源（W/ m3）；cp为比定压热容（J / (kgK) ）。Q 在区域的边界上等温边界条件为： 第二章 焊接变形仿真理论基础 - 17 - (2-2) ),(),( 1 tzyxTtzyxT 热流和换热边界条件为： (2-3) qTT n T k a )( 式中：n为边界表面外法线方向；为表面传热系数，（W/ (m2K)），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）。 2.2.2 焊接过程物理模型 1、焊接热源 为提高温度场计算的准确性，最重要的是选择合适的热源模型。morfeo提供 了三种热源模型，即： （1）双椭球热源，适用于常规弧焊，如 TIG、MIG 焊等。 （2）双椭圆锥热源，适用于高能束流焊接，如激光焊、电子束焊等； （3）高斯圆锥热源，适用于低焊速的高能束焊接。 考虑构架侧梁焊接的实际情况，这里采用双椭球热源模型模拟电弧焊。 图 2-1 双椭球热源模型模拟电弧焊示意图 Fig.2-1 Simulate arc welding schematic of double ellipsoid heat source model 前、后椭球的热分布函数分别是： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 18 - (2-4) bac bac zyvtx QftzyxQ zyvtx QftzyxQ r r f f 其中，Q ( x，y，z，t)为时间 t 时在( x，y，z)位置的热流量；Qf、Qr分别为前、 后两椭球的能量输入；v 为焊接速度；cf、cr、a、b 为高斯参数，cf、cr分别表示 前、后半部椭球的长度，a 影响熔宽，b 影响熔深36-39。 2、材料的热物理性能参数 材料的热物理性能参数为温度的函数。所采用的低合金结构钢 16MnDR。软 件采用的单位制如图 2-2。 图 2-2 单位制 Fig.2-2 System of unit 图 2-3 到 2-6 是 16MnDR 低温容器合金在不同温度下弹性模量、传热导率、 屈服强度、比热容变化曲线。 第二章 焊接变形仿真理论基础 - 19 - 图 2-3 弹性模量 图 2-4 热传导率 Fig.2-3 Elastic modulus Fig.2-4 Thermal conductivity 图 2-5 屈服强度 图 2-6 比热容 Fig.2-5 Yield strength Fig.2-6 Specific heat capacity 2.2.3 热源校核 构架焊接的接头具有不同的坡口形式，并且涉及到多层焊等问题。如侧梁外 部焊缝等的焊接问题。这些热源的校核需要手工建立模型。所建立的模型需要符 合 morfeo 所需单元类型和单元组的定义，包括所焊构件组（3D 单元） 、焊接线组 （1D 单元） 、以及散热面组(2D 单元)等。 计算时，热源模型采用双椭球的热源模型，取焊件的初始温度为 20，焊接 速度 5mm/s，焊接材料为 16MnDR。通过与热源试验所得的热影响区及熔合区比 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 20 - 较，调整得到热源各个参数分别为：cf= 4，ar=6 ，b= 5，c=9。从图片中可以看 出，该热源调整比较接近试验的结果，可用于下面的变形计算中。 图 2-7 计算热源的宏观图 Fig.2-7 Calculate heat macro map 根据上述步骤，分别对不同焊接接头的热源进行计算，得到相应的热源模型，用 于后续的计算中。 2.3 本章小结 本章主要介绍了有限元分析的基本概念和 morfeo 软件的介绍。重点介绍了 基于 morfeo 的构架焊接热源校核的温度场数学模型，焊接过程物理模型采用双椭 球热源模型模拟电弧焊以及材料的热物理性能参数。同时进行了焊接接头的热源 计算，得到相应的热源模型，用于后续的计算中。 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 21 - 第三章 武汉地铁2 号线侧梁仿真变形研究 3.1 建立武汉地铁 2 号线侧梁有限元模型 3.1.1 建立三维模型 根据图纸利用三维绘图软件 NX7.5 建立武汉地铁 2 号线侧梁各零部件的三维 模型并进行装配，如图 3-1 所示。侧梁整体长 3526mm、宽 447.5mm、高 472mm，立板厚度为 14mm、下盖板厚度为 12mm、上盖板厚度为 14mm、隔板 厚度为 8mm 焊接而成。材料均为 16MnDR。因为模型尺寸较大而且结构比较复 杂，对非关键的结构部位和远离焊缝区域的地方进行了简化的处理。焊缝主要有 外部纵向主焊缝 4 条；上盖板对接焊缝 2 条；下盖板对接焊缝 2 条；隔板及附件 焊缝 40 条。 图 3-1 武汉地铁 2 号线构架侧梁模型 Fig.3-1 Metro bogie side beam of Wuhan line 2 3.1.2 划分网格 采用 Hypermesh10.0 软件对侧梁体各部件进行网管划分，侧梁体离散成为三 维实体。侧梁、下盖板、上盖板、立板、隔板及附件网格划分采用中间对称模型， 如图 3-2 至图 3-6 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 22 - 图 3-2 侧梁体 图 3-3 下盖板 Fig.3-2 Side beam Fig.3-3 Bottom cover plate 图 3-4 上盖板 图 3-5 立板 Fig.3-14 Upper cover plate Fig.3-5 Vertical plate 图 3-6 隔板及附件 Fig.3-6 Partition plate and accessories 3.2 武汉地铁 2 号线侧梁仿真结果及分析 为了研究武汉地铁 2 号线构架侧梁焊接对梁体变形的影响，本文分三个步骤 对武汉地铁 2 号线构架侧梁进行了仿真模拟分析。 3.2.1 下盖板组装仿真结果 武汉地铁 2 号线构架侧梁下该下盖板由下盖板（左） 、中间下盖板、端下盖 板（右）组成，有 2 条对接焊缝。 图 3-7 是下盖板对接焊缝焊接仿真温度场云图。从图中可以看到焊接完成后 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 23 - 起弧位置焊缝温度较低，收弧位置焊缝温度较高达到 1500；而且焊缝温度由焊 缝中间向焊接热影响区逐渐降低。同时还可以看到焊缝温度随着焊接的方向逐渐 升高，这是因为电弧传给下盖板的热量大于下盖板向周围散发的热量，从而使温 度升高。 图 3-7 焊接温度场 Fig.3-7 Welding temperature field of bottom cover plate 图 3-8 是下盖板对接焊缝焊接后 X 方向焊接变形云图，从图中可以看到下盖 板对接焊缝焊接完成后，下盖板在 X 方向整体变形很小，只是在焊缝末端产生了 局部较小的变形，而远离焊缝位置没有产生变形。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 24 - 图 3-8 下盖板 X 方向变形云图 Fig.3-8 Distortion cloud chart in X-axis direction of bottom cover plate 图 3-9 为下盖板对接焊缝焊接后 Y 方向焊接变形云图，从图中可以看到下盖 板对接焊缝焊接完成后，下盖板在长度方向（Y 方向）产生了收缩。收缩严重的 地方产生了 1.06mm 的收缩量，收缩位置集中在焊缝周围。焊接后产生收缩的主 要原因是因为一方面焊接时下盖板对接焊缝周围被加热到了高温状态造成下盖板 焊缝周围温度不均匀所致；另一方面由于不同的焊接热循环引起金相组织发生了 转变所引起体积的变化40。当下盖板焊接后焊缝周围温度呈不均匀分布使下盖板 出现了不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而产生压应力， 周围的金属则产生拉应力。当下盖板金属受到的压应力超过其屈服强度时，就会 产生塑性变形。当下盖板焊完冷却时由于焊接加热时产生了压缩的塑性变形所以 下盖板对接焊接完成后会产生收缩。 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 25 - 图 3-9 下盖板 Y 方向变形云图 Fig.3-9 Distortion cloud chart in Y-axis direction of bottom cover plate 图 3-10 为下盖板对接焊缝焊接后 Z 方向焊接变形云图，从图中可以看到下 盖板对接焊缝焊接完成后，下盖板在高度方向（Z 方向）产生弯曲。从变形云图 可以看到弯曲产生在离下盖板对接焊缝附件和下盖板远端。下盖板对接焊缝附件 上翘 2.05mm；下盖板远端下弯 2.03mm。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 26 - 图 3-10 下盖板 Z 方向变形云图 Fig.3-10 Distortion cloud chart in Z-axis direction of bottom cover plate 图 3-11 为下盖板对接焊缝焊接后下盖板的应力云图，从图中可以看到下盖 板对接焊缝焊接完成后，下盖板对接焊缝周围应力较大，最大处有 317.11MP。 最大应力小于母材 16MnDR 的许用应力和焊缝的许用应力41-42。 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 27 - 图 3-11 下盖板应力云图 Fig.3-11 Stress cloud chart of bottom cover plate 3.2.2 立板、下盖板与隔板组装仿真结果 下盖板对接组装焊接完成后，进行立板，下盖板以及隔板组装。图 3-12 为 立板、下盖板与隔板组装焊接完成后的温度场云图。从图中可以看到，温度较高 的位置主要集中在立板与下盖板的角接焊缝处，同样最高温度达到 1500。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 28 - 图 3-12 立板、下盖板以及隔板组装焊接温度场 Fig.3-12 Welding temperature field of vertical plate, bottom cover plate and partition plate assembly 图 3-13 为立板、下盖板与隔板组装焊接完成后 X 方向焊接变形云图。从图 中可以看到立板、下盖板、隔板焊接完成后，主要的变形产生在立板以及下盖板 端部区域。立板沿 X 方向略微向中间弯曲；下盖板端部区域向外弯曲。 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 29 - 图 3-13 立板、下盖板以及隔板组装 X 方向变形云图 Fig.3-13 Distortion cloud chart in X-axis direction of vertical plate, bottom cover plate and partition plate assembly 图 3-14 为立板、下盖板与隔板组装焊接完成后 Y 方向焊接变形云图。从图 中可以看到立板、下盖板、隔板焊接完成后，侧梁立板、下盖板与隔板组成在纵 向（Y 方向）产生了 3.17mm 的收缩，收缩主要集中在侧梁的立板上面。 图 3-14 立板、下盖板以及隔板组装 Y 方向变形云图 Fig.3-14Distortion cloud chart in Y-axis direction of vertical plate, bottom cover plate and partition plate assembly 图 3-15 为立板、下盖板与隔板组装焊接完成后 Z 方向焊接变形云图。从图 中可以看到立板、下盖板、隔板焊接完成后，侧梁立板、下盖板与隔板组成在高 度向（Z 方向）产生了较大的变形。变形部位主要位于侧梁的纵向的端部区域。 从仿真结果可以看到，焊接完成后侧梁下盖板、立板中心位置基本没有产生变形， 而下盖板和立板端部向上上翘了 6.5mm。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 30 - 图 3-15 立板、下盖板以及隔板组装 Z 方向变形云图 Fig.3-15Distortion cloud chart in Z-axis direction of vertical plate, bottom cover plate and partition plate assembly 3.2.3 整体组装仿真结果 下盖板、立板、隔板组焊后进行侧梁体的整体组装焊接，主要是侧梁体外部 的 4 条主焊缝焊接以及轴箱拉杆与下盖板的 4 条角接焊缝。图 3-16 为侧梁体整体 组装焊接后的温度场云图，从图中可以看到，温度较高位置主要集中在立板与下 盖板外部角接焊缝位置。而且轴箱拉杆座与立板处的角接焊缝位置的温度相比于 侧梁体其他部位要高。 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 31 - 图 3-16 侧梁体组装温度场云图 Fig.3-16 Welding temperature field of side beam assembly 图 3-17 为侧梁体整体组装焊接后侧梁体在 X 方向上焊接变形云图。从图中 可以看到侧梁体整体组装焊接后在 X 方向变形整体较小，只有局部区域有 1.53mm 作用的变形量。 图 3-17 侧梁体组装 X 方向变形云图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 32 - Fig.3-17 Distortion cloud chart in X-axis direction of side beam assembly 图 3-18 为侧梁体整体组装焊接后侧梁体在 Y 方向上焊接变形云图。从图中 可以看到侧梁体整体组装焊接后在纵向（Y 方向）产生了收缩，在上盖板端部区 域产生了 5mm 的收缩，而侧梁体整体在纵向产生了 1-2mm 的收缩量。 图 3-18 侧梁体组装 Y 方向变形云图 Fig.3-18 Distortion cloud chart in Y-axis direction of side beam assembly 3-19 为侧梁体整体组装焊接完成后 Z 方向焊接变形云图。从图中可以看到侧 梁体体整体焊接完成后，侧梁体在高度向（Z 方向）产生了较大的变形。变形部 位主要位于侧梁体的端部区域。从仿真结果可以看出，焊接完成后侧梁体中心部 位基本没有产生变形，但是侧梁体端部向上上翘了 7.5mm。 第三章 武汉地铁 2 号线侧梁仿真变形研究 - 33 - 图 3-19 侧梁体组装 Z 方向变形云图 Fig.3-19 Distortion cloud chart in Z-axis direction of side beam assembly 3.2.4 武汉地铁 2 号线侧梁体焊接变形仿真总结 本文分下盖板组装，立板、下盖板与隔板组装，侧梁体整体组装三个步骤对 武汉地铁 2 号线侧梁焊接进行了模拟，变形整体情况如表 3-1 所示。从表中可以 看