（车辆工程专业论文）中梁焊接变形数值仿真与焊接疲劳数据库开发.pdf

摘要 摘要 随着我国铁路事业的快速发展，高速、重载列车和城轨列车越来越多的投入运行， 相应的是对轨道车辆的相关产品的质量和可靠性提出了越来越高的要求。焊接结构作为 轨道车辆中应用最广泛的结构，由于其焊接结构以及制造工艺的特殊性，焊接残余变形 与焊接疲劳这两大问题一直是焊接结构设计与制造面临的主要问题。对焊接变形的控制 从本质上说是对焊缝质量的控制，而焊缝的质量控制是影响焊缝疲劳寿命最关键的因 素。焊接残余变形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。而焊后变形矫正，既不经济又严重伤害其工作可靠性，因此，科学地、定量地预测 焊接变形规律，并在此基础上给予最优控制，对焊接构件的完整性设计和制造工艺方法 的选择具有重要的理论价值与工程意义。同时，研究结果已经发现，焊接结构作为轨道 车辆中最容易发生疲劳破坏的结构，是轨道车辆可靠性设计的关键环节。因此，需在设 计过程中对其疲劳寿命进行科学的预测，并快速的进行方案对比。 本文在对国内外焊接变形与焊接疲劳寿命预测研究现状综述的基础上，围绕焊接结 构的疲劳和变形仿真计算等问题，分别以某种集装箱平车底架中梁和客车动车转向架为 对象，开展了如下工作： 首先，讲述了热传导理论、焊接变形仿真原理、可靠性设计准则和焊接结构疲劳寿 命预测等基本原理，在此基础上详细阐述了基于“局部一整体 映射方法的焊接变形控 制和焊序优化方法，以及基于i i w 标准的焊接结构疲劳寿命预测的方法。 然后，采用“局部一整体映射方法，对某集装箱平底车中梁焊接结构进行分析和 焊序优选。根据中梁结构形式，拟定并完成了外部焊缝所需的4 种焊接接头，并在此基 础上，采用高斯双椭球热源模型在s y s w e l d 软件对这些热源进行了仿真与校核。以此 热源校核为基础，分别在s y s w e l d 和p a m a s s e m b l y 软件中对中梁外部焊道的局 部模型与整体模型进行计算，并与实验结果进行比对，并从焊序、材料等方面对影响中 梁焊接变形的因素进行优选。 最后，对焊接疲劳评估方法进行了研究，介绍了基于i i w 标准的焊接结构疲劳评估 体系，和u i c 标准加载模式。为了便于设计人员快捷的实现疲劳评估，本文以v i s u a l s t u d i o2 0 0 5 为开发平台，以s q ls e r v e r2 0 0 5 为数据库平台，开发了基于的i i w 标准的 焊接结构疲劳及工艺设计系统。该系统可有效的对焊接结构的疲劳寿命进行评估，本文 介绍了系统的具体实现过程，并以某转向架焊接构架验证了该系统的工程实用性。 关键词：焊接变形；疲劳预测；“局音卜整体”映射：数据库系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sr a i l w a yi n d u s t r y ，m o r ea n dm o r eh i g h s p e e d e d ， h e a v yl o a d e dt r a i n sa n du r b a nr a i l w a yt r a i n sh a v ep u ti n t oo p e r a t i o n t h eq u a l i t ya n d r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so ft h ev e h i c l ea n dv e h i c l e r e l a t e dp r o d u c t sh a v ei n c r e a s e dr a p i d l y w e l d e ds t r u c t u r ei st h em o s tw i d e l yu s e ds t r u c t u r ei nt h er a i l w a yi n d u s t r y b u t ，v i r t u a l l yt h e w e l d i n gd e f o r m a t i o nc o n t r o li se s s e n t i a l l yt h ew e l dq u a l i t yc o n t r o l ，w h i l et h ew e l db e a m q u a l i t yc o n t r o li st h em o s tc r u c i a lf a c t o ro ft h ef a t i g u el i f eo ft h ew e l db e a m w e l d i n gr e s i d u a l d e f o r m a t i o na n dw e l d i n gf a t i g u ea r et w om a i np r o b l e m si nt h ew e l ds t r u c t u r e sd e s i g n i n ga n d m a n u f a c t u r i n g ，f o ri t so w ep a r t i c u l a r i t yo nt h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t h ew e l d i n g r e s i d u a ld e f o r m a t i o ni st h ec r u c i a li n f l u e n t i a lf a c t o ri nt h ed e s i g ni n t e g r a l i t y ，t h er a t i o n a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sa n dt h es e r v i c ed u r a b i l i t yo fw e l d i n gs t r u c t u r e s b u tt h ea d d i t i o n a l p r o c e d u r e s ，s u c ha sd e f o r m a t i o nr e c t i f i c a t i o na f t e rw e l d i n g ，a r ee x p e n s i v ea n dl i a b l et oi m p a i r t h es e r v i c ed u r a b i l i t y t h e r e f o r e ，s c i e n t i f i ca n dq u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o no fw e l d i n gd e f o r m a t i o n r e g u l a r i t i e s ，a n dt h eo p t i m a lq u a l i t y - c o n t r o lm e a s u r e s ，a r ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n d e n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et ot h es t r u c t u r ei n t e g r a ld e s i g n ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u es e l e c t i o n a n dt h es a f e t ya s s e s s m e n to fw e l d i n gs t r u c t u r e s a tt h es a l t l et i m e ，t h er e s e a r c hh a sf o u n dt h a t w e l d e ds t r u c t u r ei st h ek e yl i n ko ft h er e l i a b i l i t yd e s i g no fr a i lv e h i c l e s ，f o ri ti st h em o s t v u l n e r a b l et or a i lv e h i c l ef a t i g u ed a m a g e s op r e d i c tt h ef a t i g u el i f eo ft h ew e l d e ds t r u c t u r e s c i e n t i f i c a l l yi nt h ed e s i g np r o c e s sa n dc o m p a r e dt h ep r o g r a mq u i c k l yi se x i g e n t l y n e e d e d b a s e do nt h es u m m a r yo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns t u d i e so nw e l d i n gd e f o r m a t i o na n d f a t i g u el i f ep r e d i c t i o no fw e l d i n g ，as e r i e so fi n v e s t i g a t i o n sw e r em a d eo nr a i l w a yf l a tc a r s c e n t e rs i l la n dv e h i c l e sb o g i ea r o u n dt h ew e l d e ds t r u c t u r e sf a t i g u el i f ep r e d i c t i o na n dt h e w e l dd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r eo u t l i n e db e l o w ： f i r s to fa l l ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h e r m a lc o n d u c t i o na n dt h es i m u l a t i o no f w e l d i n gd e f o r m a t i o na n dr e l i a b i l i t yd e s i g nc r i t e r i aa n df a t i g u el i f ep r e d i c t i o no fw e l d e d s t r u c t u r e a n da c c o r d i n gt ot h et h e o r y ，e l a b o r a t et h ew e l d i n gd e f o r m a t i o nc o n t r o lt h r o u g h w e l d i n go r d i n a lo p t i m i z a t i o nb a s e do n ”l o c a l - g l o b a l m a p p i n gm e t h o da n dt h em e t h o d so f w e l d i n gs e q u e n c eo p t i m i z a t i o nt h o r o u g h l y t h ew e l d e ds t r u c t u r ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o n s b a s e do nt h ei i ws t a n d a r dw e r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sw o r k t h e n , t h er a i l w a yf l a tc a r sc e n t e rs i l lw e l d e ds t r u c t u r e sw e r ea n a l y s e da n dw e r ed i dt h e w e l d i n gs e q u e n c eo p t i m i z a t i o nu s i n gt h e ”l o c a l g l o b a l ”m a p p i n gm e t h o d d e s i g n e da n d c o m p l e t e dt h ef o u rk i n d so fw e l d e dj o i n t sw h i c he x t e r n a ls t r u c t u r er e q u i r e d ，a c c o r d i n gt ot h e c e n t e rs i l l ss t r u c t u r e b a s e do nt h ea b o v ej o i n tc a l c u l a t et h el o c a lm o d e la n dt h eg l o b a lm o d e l o ft h ec e n t e rs i l l se x t e r n a lw e l db e a di nt h es o f t w a r es y s w e l du s i n gg a u s s i a n d o u b l e - e l l i p s o i dh e a ts o u r c em o d e la n dc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o p t i m i z e d i i i 大连交通大学丁学硕十学位论文 t h ef a c t o rw h i c hi m p a c t e dt h ec e n t e rs i l l sw e l d i n gd e f o r m a t i o ns u c ha sw e l d i n gm a t e r i a l sa n d w e l d i n gs e q u e n c e f i n a l l y ，t h et h e s i ss t u d i e do nt h ee v a l u a t i n gf a t i g u el i f e f o rw e l d e ds t r u c t u r e ，a n d i n t r o d u c et h es t r u c t u r a lf a t i g u ee v a l u a t i o ns y s t e m sb a s eo ni i ws t a n d a r da n du i cs t a n d a r d l o a dm o d e l i no r d e rt of a c i l i t a t et h ed e s i g n e r s f a s tf a t i g u ee v a l u a t i o n ，d e v e l o p e dt h ef a t i g u e a n dt e c h n i q u e sd e s i g ns y s t e mb a s e do ni i ws t a n d a r d ，w h i c hu s ev i s u a ls t u d i o2 0 0 5a s d e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n du s es q ls e r v e r2 0 0 5a sd a t a b a s ep l a t f o r m 1 1 1 es y s t e me v a l u a t e s t h ew e l d i n gs t r u c t u r e sf a t i g u el i f ee f f e c t i v e l y t i l i st h e s i sd e s c r i b e st h ep r o c e s so fc o n c r e t e r e a l i z a t i o no ft h es y s t e m a n dv a l i d a t e dt h es y s t e m se n g i n e e r i n gp r a c t i c a b i l i t y 、析t ht h e w e l d e db o g i ef r a m e k e yw o r d s ：w e l d i n gd e f o r m a t i o n ；f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ； “l o c a l g l o b a l m a p p i n g ；d a t a b a s es y s t e m i v 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 蕾瑞套、 j 日期：，岁年厂力月i j 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：审衫袷。 日期：p 。7 年，z 月0 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 自上世纪3 0 年代以来，焊接连接方法已广泛应用于轨道车辆各关键承载部件的制 造，伴随着我国铁路运输的六次大提速，轨道车辆的关键部件对强度与疲劳强度的要求 也越来越高，相应的对关键部件的焊接连接质量的要求也提到了一个新的高度。焊接结 构与其它加工方法相比可节省金属原材料，生产工序简单，制造周期短，而且可以生产 制造出其它工艺方法难以完成的结构，目前，焊接结构已成为复杂结构制造中应用最多 的基础结构之一l l j 。 虽然焊接结构有很大的优点，但焊接过程是个极其复杂的高温、动态、瞬时特殊过 程，在这个过程中由于非平衡加热、冷却导致了高动态的应力应变过程，因而不可避免 地产生了不可忽视的残余变形。焊接残余变形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，还会对 结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度产生极为不利的影响。故对焊接结构的焊接 质量控制从产品的设计生产阶段开始到产品伺服期最后到产品破坏失效为之是一个一 以贯之的过程。对于焊接结构来说，焊接变形的控制从本质来说，是对于焊接质量的控 制，而焊接质量的好坏，是由焊缝的质量决定。而焊缝的质量又直接决定焊接结构的疲 劳寿命。所以，对焊缝质量的控制是对于焊接变形与焊接机构疲劳寿命的核心问题。 由于焊接结构在轨道车辆关键部件中的广泛应用，保证关键部件中焊接结构的刚 度、强度、安装精度和疲劳寿命，就显得十分重要。在焊接结构制造过程中，为了避免 由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，通常在焊后均需增加费时 耗资的附加工序矫正变形。这些变形预防措施和矫正工艺主要是依靠经验和有限的试验 数据，并不足以适应复杂多变的结构形式和焊接方法，而且焊接变形的矫正极为耗时费 力，甚至导致产品报废。为了正确评估焊接对结构的影响和采取有效的预防控制措施， 就必须对焊接进行深入系统的理论研究，寻求方便实用的焊接变形预测方法，从而能够 从焊接变形预测的角度来更好的达到控制焊接变形的目的。 在工程实践中，控制焊接变形的方法主要有：合理选择施焊方法和焊接工艺参数， 围绕结构中性轴平衡布置焊缝，合理选择焊接顺序，使用分段倒退焊和间断焊，预置反 变形量，采用刚性固定等等。随着计算机计算能力的大幅度提高以及有限元等数值方法 的应用，一种可以用数值方法仿真实际的物理过程，被称为“数值试验 1 2 的方法迅速 发展起来。使用数值模拟对车辆构架的焊接过程进行优化仿真，一方面可以大大降低确 大连交通大学t 学硕士学位论文 定工艺参数所做实验的成本，缩短新产品生产试制周期；另一方面，通过对焊接全程的数 值模拟，可以深入理解焊接现象，为减小、控制焊接变形提供更多的量化数据，其研究 成果可为大型器件的焊接变形的研究奠定坚实的基础。开展这方面的研究不仅具有重要 的理论意义，同时也具有重要的工程应用价值。 与此同时，焊接过程的高度非线性导致焊接接头部位在复杂的焊接工况作用下，应 力集中现象十分严重，除此之外焊缝连接处往往存在着咬口、未焊透等工艺缺陷，从而 导致在焊缝处的抗疲劳强度严重降低，疲劳寿命严重降低。列车关键部位一旦发生疲劳 断裂，将产生非常严重的后果，列车的疲劳断裂绝大多数都发生在焊缝处。目前，我国 主要干线的提速客车已经全面开行，然而，在包含焊接结构在内的构架的研制过程中， 由于主要采用以安全系数保障强度裕度的定值方法，焊接构架存在着静强度富裕，疲劳 强度不足，设计阶段不能够很好的预测疲劳寿命等问题。因此，焊接构架的疲劳破坏时 有发生，严重危及行车安全。因此需要借助现代先进的数值仿真手段等技术，对焊接结 构尤其是焊缝处的疲劳寿命进行深入的研究。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 国内外焊接变形控制发展概况 据文献记载，早在2 0 世纪4 0 年代o s g o o d l 3 j 就在书中给出了有关焊接残余应力和焊 接变形的起因和分类的一些见解、简单分析和原有方法的测量结果等。随后又有许多学 者在这一领域里进行了深入的研究；其目的就是探索产生焊接残余应力与变形的机理与 实质，为调整和控制焊接残余应力与变形提供有效的方法与措施。1 9 4 0 年前苏联学者奥 凯尔勃洛姆对焊接残余应力和变形的起因和分类进行了研究，建立了确定焊接残余应力 和变形的理论方法。后来的研究者们基于该理论，提出了以残余塑变来计算焊接变形的 解析法。2 0 世纪5 0 年代，w a t a n a b em 和s a t o hk t 4 】开始关注低碳钢薄板结构焊接变形的翘 曲现象，他们第一次提出了焊缝收缩的概念，并给出了一系列预测焊接变形的公式。2 0 世纪7 0 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础提出了考虑材料机械性能与温 度有关的焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可 能。此后，为了解决热弹塑性有限元分析计算过程复杂、收敛困难、难于应用等问题， 又发展了基于线弹性有限元的固有应变理论，并取得了丰硕的成果。d a n i e 诵c z s r 【5 】对大 型海洋船体结构进行了试验和数值模拟的研究，以试验方法确定焊缝的固有收缩值，并 将其应用于有限元结构分析的模型中，利用线弹性有限元成功地预测了大型海洋船体结 构的焊接变形。美国麻省理工学院的m a s u b u c h ik 等在焊接残余应力和变形的预测和控 制方面进行了许多研究工作，把引起焊接变形的金属运动分为三种模式：模式1 为焊件 2 第一章绪论 因电弧加热作为简单物体的运动；模式2 为焊缝金属凝固前相连的两个分开部分的运动； 模式3 为连接部分刚体的运动。乌克兰巴顿焊接研究所的马赫连科采用数值模拟和数据 库技术研究了焊接应力与变形，并用于指导焊接生产。加拿大的g o l d a kj 教授等 6 - 7 在焊 接温度场和电阻焊焊点应力数值模拟进行了研究，提出了将从熔点到室温分别用不同的 应力应变本构方程来处理，在温度低于0 5 熔点时采用通常的弹塑性模型，当温度从0 5 到o 8 熔点时采用与应变速率有关的弹一粘塑性模型，而当温度超过0 8 熔点时采用线性 粘塑性模型。瑞典的k a r l a s s o nr i e 8 】等在焊接变形和应力数值模拟方面进行了大量的研 究。t s o l i a n gt e n g 9 】等采用弹塑性有限元( a n s y s 和a b a q u s ) 研究了焊接条件( 试件长 度、板厚、焊接速度、拘束等) 对焊接接头中焊接应力的影响以及薄壁管接头采用环形 焊接接头中焊接应力分布。t a l j a t b 1 0 】等用a b a q u s 分析了h y l o o 高强钢圆盘结构g t a 点焊时，冷却凝固时相变对焊接残余应力的影响。t e n g t l 1 1 j 对t 形接头角焊缝进行了热 弹塑性有限元模拟，分析了焊接过程的热力行为与焊接残余应力和角变形问题，应用死 活单元法模拟焊缝金属的填充过程，并讨论了法兰厚度、焊接穿透深度以及约束条件对 焊接残余应力和焊接变形的影响。m y o u n g s h t l 2 】对薄板焊接结构变形进行了全面系统的 机理性研究，建立了考虑高温应力应变松弛效应的热弹塑性本构模型，利用考虑有效固 有应变的收缩体积模型预测结构的角变形，并且对焊接结构的临界失稳状态进行了特征 值屈曲分析。 我国在焊接应力与变形数值模拟领域的研究工作起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代，西安 交通大学楼志文等人在单面焊终端裂纹的力学机理和焊接过程力学行为的数值模拟等 进行了研究【1 3 】。在8 0 年代初，上海交通大学焊接教研室在焊接力学模拟方面进行了大量 研究工作，研制了适合于各种焊接热输入条件下的焊接传热有限元分析方法和相应的计 算机程序，成功解决了“震荡 等问题，并有效提高了计算结果的准确性1 1 4 。研究了控 制三维焊接热弹性有限元法的计算准确性与结果稳定性的有效方法，并开发了相应的计 算应用程序，并在若干三维复杂焊接结构的分析以及失稳变形分析中得到成功的应用 1 5 - 1 7 1 ；提出并发展了基于弹性计算的预测焊接变形的残余塑变有限元方法【1 8 】，包括采用 三维实体单元与板壳单元混合建模和考虑大变形，为大型复杂焊接结构的分析提供了有 效的工具。清华大学在结构焊接变形数值模拟方面进行了深入的研究，提出了分段移动 热源的简化模型，并应用于三峡1 2 0 0 吨桥式起重机主梁焊接变形的控制和大型挖掘机的 工艺设计中【1 9 - 2 l 】。哈尔滨工业大学田锡唐教授对关于焊接热力过程有限元模拟等方面的 进行了大量深入的研究【2 2 】。航空制造工程研究所的关桥院士在焊接变形预测与控制方面 进行了深入的探讨，提出了“低应力无变形焊接 理论，从理论上阐明并论证了在焊接 过程中主动控制应力变形的必要条件和充分条件，突破了焊接变形“不可避免”的传统认 大连交通大学工学硕十学位论文 识，解决了焊接科技与制造工程中的一大难题，并在薄壁焊接结构低应力无变形控制技 术方面取得诸多研究成果【2 3 - 2 5 】。天津大学在管道容器环形焊接接头的应力应变等方面 进行了数值模拟和实测【2 6 1 。大连交通大学兆文忠、杨鑫华、崔晓芳等基于热一机耦合 算法建立了热弹塑性仿真模型，并应用于转向架构架箱型梁的焊接变形研究，获得了焊 接顺序、热输入量、拘束条件以及内部结构等对焊接变形的影响规律，为箱型类结构焊 接变形控制提供了极其重要的数值依据1 2 7 。3 0 j 。 近1 0 年来，焊接数值模拟技术从研究领域向专有学科过度，不断向深度、广度发展， 研究工作已由建立在温度场、电场、应力应变场基础上的旨在预测宏观尺度的模拟进入 到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段；从单一的温度场、 电场、流场、应力应变场、组织模拟发展到多场、多维耦合集成的阶段；所解决的问题 从共性通用问题转向难度更大的专用特性问题，包括解决特种焊接模拟及工艺优化问 题，解决焊接缺陷消除等问题；由孤立研究转向与生产系统及其它技术环节实现集成， 成为先进制造系统的重要组成部分。 综上所述在国外在关于焊接应力与变形的数值模拟分析方面己经进行了深入的研 究，并处于领跑阶段的情况下，我国在这方面的研究也已经大步赶上，也已经取得了许 多可喜的成就和进展，基于我国自身的发展情况，对于许多之前难于解决的问题，现在 也有了实现的可能。但在对于大型复杂焊接结构的焊接残余变形的数值模拟分析和预测 中还存在许多困难，主要表现为数值模拟中瞬态分析时间步繁多：结构的自由度数目庞 大：材料性能的高度非线性和几何非线性变化导致的收敛困难；三维模型导致计算时间 冗长；以及针对具体的焊接工艺，如焊接热输入量、焊接顺序、拘束状态、坡口形状、 填充金属、多道焊等因素的具体描述等等，会大大增加建模的难度以及增加计算量和计 算时间。所以，要将焊接变形数值模拟技术全面运用于实际生产，并用来指导工艺设计、 制订和优化焊接工艺还有许多需要解决的问题。正因为如此，数值模拟技术真正应用到 复杂的工程焊接结构的残余变形数值模拟方面的研究工作还比较少，有一些研究领域尚 未有人问津。就国内发表的文献来看，有关对大型箱型梁，长焊缝的焊接变形仿真以及 工艺参数优化等方面的报道很少，尤其是在机车车辆行业。所以，对大型的机车车辆焊 接结构变形的数据仿真及预测方法进行研究，有助于提高其焊接质量，保证焊接结构的 安全可靠性，具有促进我国焊接变形控制与数值仿真模拟向世界先进水平靠拢的工程实 用价值【3 1 1 。 4 第一章绪论 1 2 2 国内外焊接结构疲劳寿命预测发展概况 与焊接变形数值仿真的新兴发展不同，从焊接连接方式诞生之初，一直到现在，研 究人员与学者专家们从未停止过对焊接结构的疲劳现象、机理以及本质的研究。焊接结 构尤其是焊缝处的疲劳强度，一直是国内外焊接工作者们关注的焦点问题，可以说这是 一个既传统又热点的问题。 所谓传统，是由于疲劳问题的产生，可追溯到1 9 世纪初叶。产业革命以后，随着蒸 汽机车和机动运载工具的发展，运动部件的破坏经常发生，破坏处的名义应力低于材料 的强度极限和屈服极限，这些破坏事故使工程师们烦恼了很久，直至u 1 8 2 9 年，其原因才 为德国人阿尔培特( a l b e r t ) 用矿山卷扬机焊接链条进行的疲劳试验所阐明。1 8 2 9 年法国工 程师彭西列特( p o n c e l e n t ) 首先采用了“疲劳”这一术语，用来描述材料在交变载荷下承 载能力逐渐耗尽以至最终断裂的破坏过程。在1 8 4 3 年英国人朗肯( r a n k i n e ) 发表了第一篇 疲劳论文“关于机车车辆的疲劳破坏问题，【3 2 】之后，又有许多学者在这一领域里进行了 深入的研究，其目的就是探索疲劳强度与静强度之间的关系与焊接结构疲劳问题的机理 与实质，为调整和有效提高结构的疲劳寿命提供有效的方法与措施。 首先对疲劳现象进行系统研究的是德国人沃勒。自18 4 7 年起，他对金属的疲劳进行 了深入系统的研究。1 8 5 0 年他设计出了第一台疲劳试验机，用来进行机车车轴的疲劳试 验、在他1 8 7 1 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了s - n 曲 线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳的基础， 从历史的进程上看，沃勒是疲劳研究的奠基人幽j 。 1 9 4 5 年，美国人迈因纳( m i n e r ) 在对疲劳的累积损伤问题进行了大量试验研究的基础 上，将帕尔姆格伦( p a l m g r e n ) 1 9 2 4 年提出的线性累积损伤理论公式化，形成了帕尔姆格 伦一迈因纳线性累积损伤法则，奠定了常规疲劳设计的理论基础m j 。 1 9 6 1 年，诺依伯运用局部应力应变法研究疲劳寿命，提出了诺依伯法则。1 9 6 3 年美 国人帕里斯( p a r i s ) 在断裂力学方法的基础上，提出了表达裂纹扩展规律的著名关系式一 帕里斯公式，给疲劳研究提供了一个估算裂纹扩展寿命的新方法，在此基础上发展了损 伤容限设计，从此，断裂力学和疲劳这两门学科逐渐结合起来，并开始了断裂力学与疲 劳的学科交叉的疲劳评估方法【3 引。 1 9 7 1 年，威茨( w e z e l ) 在曼森一科芬方程的基础上，提出了根据应力、应变分析估算 疲劳寿命的一整套方法一局部应力、应变疲劳分析法p 2 。 所谓热点，是由于近年来对疲劳理论的研究发展迅速，为保障产品结果的可靠性， 国内外许多研究机构制定了有针对性的疲劳设计规范，例如：英国桥梁疲劳设计规范 b s 5 4 0 0 、英国的焊缝分析规范b s 7 6 0 8 、欧洲钢结构协会的疲劳设计规范、日本的钢桥 大连交通大学t 学硕士学位论文 设计规范、北美铁路a a r 设计规范、国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的疲劳设计规 范i i w d o c 6 3 9 8 1 、我国的钢结构设计规范g b 5 0 0 1 7 以及铁道部行业设计标准 t b 厂r 1 3 3 5 1 9 9 6 等。 由于疲劳产生的机理复杂，至今，理论界仍没有一个关于疲劳机理的公认的定论， 不能从理论上将影响疲劳的众多复杂因素用一个统一的物理模型或数学模型来描述，因 此，国内外对疲劳方法的研究主要集中在实验环节上。而目疲劳寿命预测的方法主要有 专家评估方法、试验研究方法、计算机数值模拟方法和可靠性分析方法p 6 1 。 ( 1 ) 专家评估方法 由专业知识和实践经验丰富的专家组成评审组，根据现场的实际情况以及专家的经 验来确定结构件的寿命。由组织者把结构件寿命预测的目的及有关背景资料分别寄给各 位专家，要求他们在规定的时间内对预测对象的寿命进行第一次评估。组织者把各位专 家的预测结果进行归纳整理，并将结果再寄给各位专家，要求他们在规定的时间内进行 第二次预测。组织者再进行归纳整理，如此反复多次，直到专家的意见趋于一致。最后， 采用统计方法和综合评判方法对专家组的意见进行处理，得到最终的预测结果。 ( 2 ) 试验研究方法 通过试验来确定焊接结构的疲劳寿命。试验方法可分为两种：一种是通过实测运用 车辆焊接结构的动应力时间历程，采用双参数雨流记数方法确定其应力谱，结合被焊 接结构用材的疲劳性能( p s n 曲线) ，根据疲劳累计损伤理论确定其寿命。这种方法的特 点是试验需要众多关于实际情况的实验数据。这些试验数据越多，预测的寿命越接近实 际，但耗费的人力、财力也越多。另一种方法是室内实物疲劳试验，这种方法已经普遍 用来对机车车辆产品进行疲劳强度鉴定检验或进行抽样质量检验。但采用这种方法预测 寿命时，需要有载荷谱，而且模拟载荷工况也是一个较难解决的问题。 ( 3 ) 计算机数值模拟方法 随着近年来计算机硬件和软件技术的飞速发展，断裂力学的工程应用日益广泛，采 用计算机数值方法预估转向架的疲劳寿命已逐渐开展。数值模拟方法分为两类：一类是 采用i d e a s 、a n s y s 等结构分析软件由实测载荷谱对结构进行有限元分析，然后结合 材料或接头的基本疲劳性能数据，采用f e f a t i g u e 等疲劳分析软件预测寿命。另一类方 法是通过动力学仿真计算，求得动应力响应，采用有限元方法计算出各个关键危险部位 的动应力，然后结合材料基本疲劳性能数据进行寿命估算。但是，这两类数值模拟对于 故障模式多样和受力状况复杂的部件，准确描述和处理其边界条件均存在很大的难度。 ( 4 ) 可靠性分析方法 6 第一章绪论 随着可靠性工程学科地发展，可靠性数据收集与分析越来越显示出重要的价值和作 用。通过有计划、有目的地收集产品整个寿命周期各个阶段的数据，从数据的统计分析 出发，找出产品寿命的分布规律，进一步分析产品的故障，预测故障的发展。它既是寿 命管理的基础，又是开展新产品可靠性设计和改进原产品设计的有益参考。 1 3 本文研究的主要内容 本人在攻读硕士学位期间，参加了辽宁省创新团队项目：基于协同仿真技术的焊接 结构转向架疲劳寿命预测与工艺优化( 2 0 0 7 t 1 0 2 ) 以及企业齐齐哈尔轨道装备有限责任 公司委托研发项目：箱形中梁组焊变形控制研究。本论文也正是基于上述两个项目的研 发工作而完成的。 除本章绪论外，其他各章的主要内容及组织如下： ( 1 ) 第二章：主要介绍焊接变形仿真与焊接疲劳寿命预测的基本原理。首先介绍了 焊接变形仿真的原理及其基本方法。然后，介绍了关于弹塑性有限元的基本理论。最后 介绍了抗疲劳设计的准则与基本方法以及基于虚拟疲劳试验的i i w 标准寿命预测方法。 ( 2 ) 第三章：介绍了对箱型中梁“局部一整体 映射方法的的焊接变形控制。主要 介绍了关于焊接变形数值仿真的焊接接头热源校核与仿真。然后介绍了“局部一整体 映射方法焊接变形控制方法与影响焊接变形的主要因素。 ( 3 ) 第四章：主要介绍了基于i i w 标准的焊接结构疲劳及工艺设计数据库系统的开 发。主要介绍了系统开发的总体设计，系统开发过程中涉及到的关键技术以及系统的模 块设计与系统实现。 ( 4 ) 第五章：以某动车转向架的疲劳寿命计算过程，对所开发的焊接结构疲劳及工 艺设计数据库系统做了工程实用性验证。 ( 5 ) 结论：对论文所做的主要工作进行总结，并展望了与论文研究相关的有待进一 步研究的问题。 本章小结 本章讨论了课题研究目的和意义，国内外关于焊接变形控制与焊接结构疲劳寿命预 测的研究概况，及本论文研究的主要内容。 7 第二章焊接变形仿真与焊接结构疲劳寿命预测的基本原理 第二章焊接变形仿真与焊接结构疲劳寿命预测的基本原理 从产品的生命周期角度来看，焊接结构的变形和疲劳破坏分别是在不同的阶段产生 的。虽然都是和设计水平密切相关，但是焊接变形主要是在产品生产制造过程中呈现出 来的，而疲劳破坏则是在焊接结构的伺服过程中产生的。本章主要介绍焊接变形仿真与 焊接结构疲劳寿命预测的基本原理。 2 1 焊接变形仿真基本原理及方法 焊接是包含电弧物理、传热、冶金和力学等多方面共同作用的复杂过程。焊接现象 包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等 等，们之间的相互作用关系如图2 1 所示，其中实线箭头表示影响比较强烈，虚线箭头 表示影响比较小。考虑应力应变场对温度场的影响以及金相学对温度场的影响不是很 大，以及计算能力的问题，本文在分析焊接过程时主要考虑焊接温度场与焊接应力应变 场及金属相变的影响、以及金属相变对应力应变场有影响。下面对热力学及应力应变场 的有关问题予以阐述。 图2 1 温度、相变、热应力三者之间的耦合效应 f i g 2 1t h ec o u p l i n ge f f e c to f t e m p e r a t u r e p h a s et r a n s f o r m a t i o na n dt h e r m a ls t r e s s 2 1 1 焊接热传导 焊接热过程是影响焊接质量和生产率的最主要因素之一。焊接热过程的计算和测定 准确与否，是能否对焊接冶金分析、焊接应力变形分析以及对焊接过程进行控制的前提 1 3 7 1 。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 焊接的热传导问厨与一般的热传导问题本质上并无不同，因此，必须确定： 在某一时刻，整个构件的温度分布，即温度场； 构件某一点的温度随时间变化的情况即热循环： 在焊接过程中，温度场是随位置和时间的变化而变化，故可以表示为： t = f ( x ，y ，：，f ) 对于体积为r ，表面积为r 的连续介质，可建立能量守恒的微分方程 一摹廿，c 詈= o 其中t 为温度，q 为单位体积韵热生成率o 是热流向量的分量，p 为单位体积的 质量密度，c 是比热，f 表示时间。按f o u r i e r 定律，热流可用温度梯度表示成： ” ，篆 其中丑是材料在指定空间方向上的热传导率张量分量。对各向同性材料，热传导 率在各方向上保持同一常数。 f 1 ) 热传导基本方程 图2 2 是从所研究物体中取出的微单元体。根据f o u r i e r 定律，热流密度与温度梯 度成正比，即 z y ，q ，+ 由 图2 2 热流密度沿x 方向的增量 f i g2 2 h e a t f l u x a l o n g t h ed i r e c t i o no f t h e x i n cr e m e n t a l x 二 一 第二章焊接变形仿真与焊接结构疲劳寿命预测的基本原理 q ，= 一k x 昙吗= 一k y - f f 卯，q z = - k z 笔x 一面卅y 一 ， 2 爱 其中q ，、q y 、q ：分别是沿x 、y 、z 方向的热流密度，单位是c 口l c 聊2 s ： t 、k y 、t 分别是沿x 、y 、z 方向的导热系数，单位是耐册s 。c 。 沿x 方向，在d r 时间内进入微元体的热量为 q ，d y d z d r 沿x + d x 面流出微元体的热量为 ( q ，+ a q ，) a y a z d r 则，净流入热量为 q ，d y d z d r 一( 吼+ 由，) d y d z d r ：一孕d x d y d z d f 同理，在y 、z 方向净流入的热量分别是 o q l ，d x d y d z d f ，一盟d x d y d z d f o砂 。 z 又内部热源在单位体积内发出的热量( 设强度为百) 为 q d x d y d z d r 同时，因微元体温度升高，相应的内能增量为 印詈d x d , d z d d x d y d z d rc p 一 其中r 比热(