（材料加工工程专业论文）新型列车转向架结构焊接数值模拟.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 列车的转向架是保证车辆运行品质与运行安全的关键部件，作为转向架的承载部 件，构架又是其最重要的组成部件。焊接是构架的主要的制造方式，因此，研究新一 代转向架构架焊接残余应力与结构强度的关系，具有非常重要的意义。迅速发展的现 代焊接技术虽然在很大程度上为转向架焊接质量的提高提供了良好的基础，但由于材 料本身的物理特性以及焊接接头组织性能的不均匀性，在焊接过程中仍难免产生缺 陷，我们所进行的研究也就是对于解决以上焊接技术问题的探讨。 进入二十世纪中后期以来，伴随着计算机革命的兴起，各种基于计算机科学的学 科得到了跨越式发展，数值模拟技术已经成为各行各业在总结过去经验继而发展新技 术新工艺的重要推动力之一。焊接是一个强烈非线性的复杂过程，其间发生的各种复 杂现象我们难以直观去感知，很多情况下都是依靠经验来解决实际问题。例如焊接时 的电磁、传热、金属熔化凝固，冷却时的相交、焊接应力及变形等，我们今天也难以 给出详细的解决方案。为此，本文尝试使用数值模拟来研究转向架构架焊接过程中的 各种现象，以求能取得满意的结果。 一 本论文主要围绕如何利用有限元技术模拟转向架焊接过程，根据计算结果确保列 车转向架构架焊接质量，研究列车转向架构架焊接制造中如何有效地控制焊接变形及 应力的问题。选取某新型列车转向架构架作为研究对象，结合有限元方法采用e s i 焊 接专业软件s y s w e l d 对列车转向架构架进行数值计算分析，建立其三维几何模型， 划分网格模型，并设置热源参数。讨论了计算所得的温度场、材料相变、残余应力以 及变形结果，将计算结果与实验结果进行对比，符合良好，由此验证了本文采用的焊 接模拟方案的可靠性。为优化原工艺措施，调整应用多种焊接顺序工况方案进行模 拟，并进行对比，最后得到了最佳方案。 关键词：s y s w e l d ；转向架构架；有限元分析；应力分析；变形分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t t h e b o g i eo fr o l l i n gs t o c ki sak e yp a r tt oe n s u r er i d i n gq u a l i t ya n do p e r a t i o ns e c u r i t yo f at r a i n , o fw h i c ht h ef r a m ei st h em o s ti m p o r t a n tb e a r i n gc o m p o n e n t a st h em a j o r m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，i tm a k e sal o to fs e n s et or e s e a r c hw e l d i n ga n dt h e r e l a t i o n b e t w e e nw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h ef la m eo ft h eb o g i e t h er a p i d d e v e l o p m e n to f m o d e mw e l d i n gt e c h n o l o g yp r o v i d e sc o n v e n i e n c ef o rt h ei m p r o v e m e n to f t h ew e l d i n gq u a l i t yo ft h eb o g i es i g n i f i c a n t l y , b u ti th a r d l yp r e v e n t sf r o mt h ed e f e c t si nt h e w e l d i n gp r o c e s s ，d u et ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a li t s e l f , a sw e l la st h e h e t e r o g e n e i t yo ft h ew e l d i n gj o i n t sp e r f o r m a n c e u n d e rt h ed e v d o p m e n to ft h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，n u m e r i c a lc o m p u t i n gt e c h n o l o g y h a sb e c o m eam a j o rd r i v i n gf o r c ef o rw e l d i n gt e c h n o l o g yi nm o d e r ne n g i n e e r i n g t h e r ea r e l o t so fp h e n o m e n ai n c l u d e i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cw e l d i n g , m e t a lm e l t i n gs o l i d i f i c a t i o na n d s oo n u n d e rt o d a y se n v i r o n m e n to fc h i n a sr a i ld e v e l o p i n gg r e a t l y , t h es a f e t yo ft h er a i l w a y l o c o m o t i v ei sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t a f t e rb u i l d i n g3 dm o d e l ，m e s h i n g ，a n ds e t t i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，i ti sp e r f o r m e d w i t hs y s w e l ds o f t w a r et os i m u l a t en u m e r i c a l l yw e l d i n gf o rt h eb o g i es t r u c t u r eo fr o l l i n g s t o c k ，a n dt h er e s u l tm a t c h e sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l l ，w h i c he n s u r e st h er e l i a b i l i t yo f t h es i m u l a t i o n t oo p t i m i z et h et e c h n o l o g y , t h e r ea r es o m ek i n d so fw e l d i n gp r o c e s si n d i f f e r e n ts e q u e n c ea n dr e s t r a i n ，tc o n d i t i o n ss i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ho t h e r st os h o wt h e o p t i m u m o n e k e y w o r d s ：s y s w e l d ；b o g i ef r a m e ；f e m ；s t r e s sa n a l y s i s ；d e f o r m a t i o na n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及研究意义 第1 章绪论 我国作为一个领土辽阔的大国，铁路运输在整个国家的整体战略中扮演着极其重 要的角色，但是长期以来，运力与需求的突出矛盾一直得不到缓解。为此，我国适时 提出铁路跨越式发展的战略目标，来推动我国铁路运输客运和货运重载、快速的发展 以及全面实现全国铁路大提速。到目前为止已经连续六次实现全国范围大提速，取得 了显著成效。 而根据我国铁路规划，在今后的十年间，将会在大部分省会城市及重点城市之间 建立起的快速客运通道，这些计划发展的先进客运系统将在很大程度上解决旅客出行 及运输需求与铁路资源之间的矛盾。规划目标指出，届时的客运通道里程，以及客车 机车速度都将得到跨越式发展。这一庞大规划隐含着巨大的机遇，以及无比广阔的市 场，必将对中国新型机车制造技术的发展起到积极的推动作用。由此可以看出，生产 制造新型机车是铁路运输事业和城市轨道车辆发展的必然趋势。 在铁道车辆运行时，转向架承受并传导着方方面面的工作载荷、制动、牵引和惯 性力。目前，我国国产新型列车最高时速已近5 0 0 k m h ，越来越快的运行速度和不断 增长的运行列车数量对我国现代机车制造技术以及其重要部件转向架构架提出了更高 的要求。 铁道车辆的转向架是保证车辆运行品质与运行安全的关键部件，而构架又是其最 主要的组成部件，它要承受并传递来自车体、轮对各个方向的作用力。作为转向架的 重要承载部件，构架的制造方式以焊接为主。因此，研究新型列车转向架焊接质量并 对其进行质量控制，具有非常重要的意义【l 】。 焊接是一个复杂的包含了物理以及化学变化的过程，对其的研究需要涉及到电弧 物理、传热学、冶金学和力学等学科，其过程相关参数数量很多。现在很多情况下， 对焊接生产的把握仅仅凭借根据推导出来的经验公式或长时间工作下来对焊接工艺的 一经验的积累来达到把握焊接过程，进而达到控制焊接结果，无法对实际生产做到规律 。 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性的指导，使得达到目的前需要经过长期繁琐的实验调试过程，造成大量的成本增加 而且需要长时间的尝试过程，这是得不偿失的。而运用越来越成熟的焊接数值模拟技 术和与之对应的少量试验验证来代替繁琐的大量实验，是已经被充分证明其可行性及 可靠性的，在节约大量的人力、物力和时间成本的同时，还可以得到焊接全方面的信 息，包括某位置的温度、应力、变形随时间变化曲线等，提供了工艺及结构改进的理 论依据，如果是某些特殊行业或特殊结构，运用数值仿真还可以有效的解决一些难以 进行直接实验研究的复杂问题毕j 。 本文研究的转向架作为一种大型焊接结构件，横向和纵向跨度都超过了2 米，重 量达数吨；两侧梁为下凹鱼腹箱形结构，结构特殊，加工难度大；横梁采用双无缝钢 管结构；纵向梁为焊接箱式结构；各种吊座繁多，大小不一，形状不一；总体结构复 杂、重量大、机械加工面多、总体和局部机械加工量较大、结构尺寸要求严格、焊缝 分布不规则、焊缝数量多、焊接量大、焊接难度高。 对于如此巨大复杂的部件，如果对焊接应力和变形的测试采用试验方法，不但试 验量繁多、操作技术复杂，而且由于较多的客观不可控因素的影响下，测试结果与可 能并不能反映真实情况【3 1 。相反，采用计算机模拟对焊接过程进行仿真，就可以在以 实际测试数据的对照下，通过高速的计算能够较快捷的来确定焊接生产工艺中重点关 注和需要解决的问题。 运用计算机模拟技术，可以在很大程度上简化我们得到问题答案的复杂程度，在 验证了模拟结果对实际情况的仿真可靠性后，我们对于生产工艺的各项调整，结构设 计原则的改进与优化可以在计算平台上得到充分验证，相对于传统方法需要对这些要 素的大量实际测试工作，可以大大的结余、节约人力成本、时间成本，当遇到大部 件的验证时尤其适用。焊接的数值模拟技术是伴随着有限元技术和计算机技术等领域 学者的不断研究下不停发展起来的，其进展也使得采用数值模拟方法分析焊接问题的 可行性和准确度进一步提高。 因此，用数值模拟方法来对列车转向架进行数值仿真是有很大优势的【4 】，数值模 拟技术既是对焊接技术的，又补充与拓展，又能节约大量成本，是焊接研究发展的重 要趋势之一。本文的工作就是结合实验室焊接模拟的进展及某新型转向架构架焊接数 值模拟问题进行的探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 焊接数值模拟的国内外研究现状 电弧物理、冶金学、热力传热和力学等等各个学科与技术要素，以上种种的交织 与耦合构成了焊接过程本身的复杂过程，伴随着母材与焊条的电磁、热传导、接头的 熔化和凝固、热循环期间发生的相变过程对焊缝的金相组织及力学性能都产生了极大 的变化。这些物理化学变化对焊接接头以致整个焊件承载能力、使用寿命都产生很大 影响。为了对焊接生产起到准确判断，进而有针对性的指导，对焊接残余应力与变形 的预测就成为了亟待解决的问题。 焊接过程中的温度场、金属的熔化和凝固、金属相变、残余应力和焊后变形等构 成了各种焊接现象。尤其是我们格外关注的焊接残余应力和变形位移，不仅是实际生 产过程中焊接工艺人员的重要问题，同时对焊件在使用中的使用性能也有很大影响， 是我们关注的问题。 计算科学作为飞速发展的学科门类，与数学原理一起成为了跨学科研究的基础之 一，国内外的研究者开始使用数值模拟手段也成为了解决焊接实际问题的有效方法和 解决手段之一。随着该领域不断发展，从简单到复杂，焊接的某些复杂现象逐渐也可 以得到较好的实现。其特点是采用虚拟分析方法对焊接过程的结构( 场) 的现象进行 模拟( 仿真) ，预测结构( 场) 的性能，优化结构( 场) 的设计，为工艺改进、解决 实际工程问题提供直观的依据。 1 3 焊接数值模拟具体实现手段 焊接数值模拟与分析，是在以实验数据为基础的前提下，以实际条件作为焊接参 数，通过仿真分析，模拟出焊件连在焊接过程中结构的动态响应，精确展示在各个时 刻各个部件瞬时的受热、变形、受力状态。一点的信息包括某位置的应力、变形随时 间的变化或部件质心的加速度响应等。在不同的条件设置下，焊接数值模拟的计算及 之后对结果进行分析可以在得到具体过程的模拟结果的同时还可以直观的得到与结果 相关的各个关注要点的定量认识，包括节点位置热循环曲线、温度场分布；应力、变 形与时间的关系等。在得出焊接模拟结果后，需要与实验数据的对比印证过程，可以 考察结果的可靠性，为今后进一步的优化打下基础【5 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 1 焊接模拟分析方法及本文采用类型 数值模拟首先需要确定研究对象，对对象进行具体分析后抽取准确模型，基于不 同的目的选取合适的计算方法来进行计算【6 】。通过数值计算领域的发展与归纳总结， 现在常用的数学方法主要有如下几种：( 1 ) 解析法，( 2 ) 差分法，( 3 ) 数值积分法，( 4 ) 蒙 特卡罗法，( 5 ) 有限单元法。在焊接学者及焊接工作者的不断应用下，有限元方法成为 了当今焊接模拟的主要分支，而本文即采用有限元方法来对列车转向架构架来进行数 值模拟及分析。 解析法是实际上为求解微分方程的过程，也就决定了在相对简单的问题上适用解 析方法来计算，然而对复杂的情况缺少解决办法，例如在材料发生相变的情况时，或 较复杂的边界条件，解析法对求解无能为力，这就需要其他更有效的方法。 用差商来代替微商，这是差分法的主要理念。主要是将微分方程转化为差分方程 来求解。把方程中的两大要素，即将要素一微分方程和要素二边界条件的求解归结为 计算线性方程组的数值解。这种方法优点为计算同样的比较简单，在计算上方便理 解。但差分网格囿于对规则性要求，使用上相对别的方法来说不够灵活。差分法在焊 接数值模拟研究中的应用集中在对焊接温度场，熔池区内流体力学等方面的研究。 数值积分法用在原函数不能通过查找微积分计算公式的计算中。常用的数值积分 法有辛普生公式、梯形公式、高斯求积法等，数值积分法只能求解比较简单的问题。 蒙特卡洛法又称随机模拟法，即针对某一具体问题假设出一个随机过程，将随机 过程中应用的参数用估计出由随机样本计算出的统计量的值，从而使这些参数选出最 初所述问题中的所包含未知量。蒙特卡洛法可以在多重积分计算中得到重要的应用。 有限单元法是目前应用领域相当广泛的的种方便性和实用性兼备的数值方法， 正因为其特性，从最初的航空领域扩展到工程技术的方方面面，无论汽车制造、热磁 传导以至于焊接过程等等都能发现其身影。它将求解区域细化分解为由有限个单元组 成的模型，然后对赋予边界条件的有限元模型进行计算。 该方法的理论基础具备相当的普遍性，已证明了在工程领域解决各种类型的实际 问题的可行性，对于连续介质和场的问题成为了很好地解决手段j 。考虑到其在工程 领域的大型计算方便性，故将其作为本文研究分析方法。 综上，各种方法之间的相互借鉴与共同发展，形成了焊接过程的数值模拟今天发 展的现状，其发展历程，是经过了最初运用解析方法求解简单焊接问题，逐步发展过 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 渡到采用有限差分法和有限元法，而有限元方法在证明其优点之后，在近几年成为了 数值模拟的主流，分析规模也从面单元到了实体单元。当然在焊接模拟计算中各种数 值方法仍然在各自适用的领域发挥着不可替代的作用，为了最便捷的得到我们需要的 结果，我们要对具体的焊接模拟问题进行具体的研究与分析。 1 3 2 焊接温度场与应力应变分析研究历史与现状 在2 0 世纪8 0 年代初期，我国的学者开始运用数值方法对焊接过程开始了探讨， 起初研究的内容尚局限于比较简单的平面温度场或薄板准稳态温度场问题，经过一段 时间发展，进入到了2 0 世纪9 0 年代，针对的问题开始扩展到相对复杂的针对三维温 度场的数值模拟领域。通过研究者们的共同努力，当今焊接模拟领域能够做到对温度 场与金属相变关系、焊接接头温度场与焊接残余应力关系等各个方面进行分析与探 讨，使得在实际应用领域获得了巨大成就。以下是焊接模拟的两大方面，温度场和焊 接应力应变关系分析两个方面的国内外学者进行的研究与取得的进展。 1 、国内外焊接温度场分析历史与现状 焊接过程具有与众不同的热输入方式，其造成的使焊件温度场存在强烈加热与冷 却过程，高温停留时间短等特点。温度场将影响到之后计算与分析的每一个方面，直 接造成热应变，在急速的升温降温之下，还会导致焊接接头显微金相组织的变化引起 相变应变决定其内应力及残余应力。焊接温度场作为焊接模拟计算需要解决的问题的 基础最关键的因素，对其的准确计算和预测是对后面的焊接冶金分析、应力变形分析 以及最终要达到的对焊件进行质量控制需要解决的首要问题1 8 】。 焊接温度场的计算，有几个需要构建的关键因素，首先是要对焊接热过程进行有 效的分析，需要先期准备的要素有下面几点：首先选择与实际情况吻合的热源模型、 其次需要整理材料热物理属性以及各个参数在高温下变化的数据，然后对各种典型的 焊接接头进行分析以得到合适模型、此外还须有相应的焊接程序、实际焊接工艺参数 和需要改进的方面进行修正的方向以及焊件的边界条件处理如环境温度，对应约束条 件等。 在焊接温度场的研究历史中，前苏联一些学者做出了开拓性工作。根据他们的归 纳总结，在维度上将焊接热源进行了分类，共总结为三种，即简化为零维、一维、二 维的理想热源，作为理想化条件，其热源采用固定的材料性能参数也没有考虑焊件尺 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 寸对解的影响，而在实际条件下，材料属性将呈现出高度非线性，这样所得结果与真 实情况有较大的偏差，由于熔池附近的高温对各种参数的剧烈影响，造成在焊接熔池 附近误差尤为明显，而该区域正是我们非常关注并主要研究的部位【9 12 1 。 其后在热传导微分方程的基础上，a d a m e s 等人，吸取了前人的经验，首先做了 大量的试验，从而得到并整理总结了多种材料属性与温度关系、焊件厚度尺寸、焊接 线能量大小以及环境温度、预热温度等实验数据，根据传热学理论指引，构建出了焊 接传热公式。这作为一个在温度场研究新的成果，在计算精确度上比之前的数学解析 法有了很大提高，但不利之处在于对试验工作量有很高的具体要求，而且应用条件和 范围上也有一定限制，另外由于需要大量实验，所以测试手段精度的控制也成了问题 【9 】 o 以上研究还未涉及到有限元法，其用于分析计算首先实现于六十年代的w i l l s o n 和n i c k e l 对于固体热传导的分析计算。进入7 0 年代，焊接温度场的分析计算中有限 元法才逐渐得到使用。7 0 年代后期，来自加拿大的学者运用有限元法对温度场进行了 比较详细的的分析，提出了一种新的有着广阔应用前景的热源分布模型双椭球体 热源模型【1 3 1 4 1 。之后有学者建立了针对厚板t i g 焊或p a w 堆焊的三维温度场的差分 模拟模型【1 5 1 6 】j 相对国外在这个领域的发展，我国在焊接模拟方面起步较晚，在8 0 年代较早的 文献【1 7 1 8 】中我国学者首先尝试了用有限元方法对薄板准稳态焊接温度场进行了研究 计算。在此之后我国学者也在焊接热传导数值模拟方面做了许多工作，取得了一定进 展，例如求解非线性热传导方程的变步长外推法等，进而在有限元方法基础上构建起 关于焊接温度场的计算模型和对应的计算程序。 在以上基础之上，焊接工作者与学者在与时俱进的计算机软硬件的条件下，在焊 接温度场的有限元计算方面进行了卓有成效的研究。由于在焊接过程中加热方式的特 点，即热源的移动过程中带来的加热面积小、热输入高度集中造成焊接件产生强烈的 局部加热，然后在很短的高温维持时间后又通过向四周金属的传导或辐射等方式快速 冷却，使得焊接接头的热循环急剧变化，在焊缝及其h a z 区域形成非常大的温度梯 度，此前已经提到过材料性能参数在高温下将发生很大变化，且金属在冷却过程中伴 随相变产生潜热【1 9 】，因此，在针对焊接的模拟计算中应将温度场看作属于典型的非线 性瞬态热传导问题，要对焊接温度场进行有效的可靠的分析，就要解决在非线性瞬态 热传导问题中的各个关键因素，其中包括温度约束等边界条件的选择与构建、在维度 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 上分布规律上确定热源函数模型、详细的高温材料物理性能以及考虑焊接接头材料各 相的相变潜热等，以上种种要素的存在才能构建合适的物理模型。 现阶段对于焊接温度场计算的研究，主要存在的问题有以下几点f 2 眈3 】： ( 1 ) 焊接方式的不同，必然导致焊接热源热效率的差异，此外焊接工艺，现场 条件，焊件结构都将对热效率产生影响。作为与计算精度相关重要因素焊接热源热效 率的选取需要我们进一步的工作来实现。 ( 2 ) 热源能量是呈高斯分布的函数，采用此种模型，更多的是考虑了焊缝截面 法相的热输入，但忽略了沿焊缝方向的热流，在某些焊接计算的应用如低速焊接模拟 中忽略沿焊缝方向将产生较大的误型2 4 】； ( 3 ) 囿于材料科学关于物质高温热物理性能和力学性能参数研究领域的进展， 难以做到在精确而完善的材料数据库的前提下进行数值模拟计算，造成模拟结果与实 验得来数据存在偏差； ( 4 ) 由于焊接移动热源的加热特点，加热面积小、热输入高度集中造成焊接件 产生强烈的局部加热，使焊接接头材料受到极具的升温，使焊接接头材料受到极具的 升温，从而导致材料参数的非线性，使计算迭代次数增加，求解出现收敛问题和解的 不稳定性，另外，由于对焊件进行了瞬态分析，也导致在时间域内的离散程度加大而 使得时间步长增加【2 5 1 。 ( 5 ) 焊接热传导分析作为一种基于固体导热微分方程式的研究，在某些方面也 进行了简化，忽略了焊接熔池内部由于加热呈熔融状态的金属对流传热特点。尽管这 种程度上的理想化并没有对焊接冶金分析以及焊接力学行为的分析的精度造成较大误 差，但是在需要对熔池具体形状以及内部的详细传热过程进行精确的研究时，必然需 要采用流体动力学对焊接熔池中呈熔融状态的金属进行分析。 2 、焊接应力应变分析 作为导致各种缺陷热裂纹的直接影响因素，焊接残余应力与变形作为生产研究研 究中的突出问题，一直以来都是重点关注的对象。它既是一个传统问题，又可以说是 一是新问题、一个新热点，也是具有重要实际研究意义的问题。从早期从理论上的定 性研究，到现在随着计算机计算能力和容量的提高，可以实现从研究方法和技术手段 上对焊接残余应力与变形的数值模拟，克服了传统的经验和测试以及解析法的不足， 称为焊接学者研究的有力工具。 焊接应力应变数值分析有如下几个部分，首先是焊接动态的应力应变过程，包括 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 接头各个位置的瞬态信息，焊后产生的残余应力和变形位移、约束边界条件对应力影 响以及之后对应力的各种应对措施等。与焊接温度场的研究一致的是，焊接残余应力 与变形的研究最早同样开始于苏联【2 6 2 7 】。最初的研究开始于2 0 世纪初，限于当时理 论与实际条件，还处于初步的定性和与测试结合阶段。进入2 0 世纪五十年代利用热 弹塑性理论的分析进行工程问题的热应力分析逐渐开始兴起，研究了变形与热输入、 约束加载的关系，得出了焊接热输入、外部约束对收缩变形影响规律，并得到了相应 的简单公式。进入六十年代，伴随着计算机计算速度的突破，使得利用计算机技术对 焊接残余应力与变形的数值模拟成为可能，这样在数值模拟的基础上对焊接应力应变 进行模拟仿真成为了新兴的研究课题，发展出了各种针对不同问题的有效程序和方 法。 2 0 世纪7 0 年代初，日本一些学者研究了基于有限单元法的材料属性与温度相关 的力学性能的焊接热弹塑性分析理论，对理论中的各个要素进行了研究，得出了一系 列表达式，使焊接应力应变领域的研究进入到了瞬态分析的时代。基于以上研究，最 后得到了焊接热弹塑性基本理论，固有应变理论和基于固有应变理论的二维应力测定 法，焊接应力的产生机制和残余应力分布规律等理论成果。自此，在其成果推动下， 利用有限元法研究焊接应力的工作得到了迅速发展【2 8 1 。从而也为转向架的焊接过程模 拟奠定了理论基础。 进入8 0 年代，一些中国学者【2 9 】对大板拼接单面焊终端裂纹的产生机理和防止进 行了实验及数值研究。另外我国焊接工作者【3 0 】开发了多种可行的焊接热弹塑性有限 元分析程序，并成功的应用在一些条件下的焊接应力分析方面。 1 4 研究目的与意义 在近年的焊接问题处理中，焊接数值模拟技术在实际生产过程的应用日益广泛， 在我们关注的焊接应力与变形上，数值模拟的计算结果在经过分析之后与实际情况得 到了很好的复合，这对焊接技术这门高度成熟的学科提供了新的突破方向。在应用焊 接很多的大型列车转向架的焊接残余应力及变形的研究上，目前的状态仍然停留在这 种只能通过测试数据来进行改良，不能宏观地把握构架整体残余应力的分布状态这种 情况，对这样一项重要的关键技术，这样是远远不够的。然而类似转向架构架这样的 大部件，要对其进行焊接残余应力及变形的预测本身就是有一定难度的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 本文主要对高速列车转向架焊接残余应力展开研究，主要围绕如何利用有限元技 术模拟转向架构架焊接过程，根据计算结果确保列车转向架构架焊接质量，研究列车 转向架构架焊接制造中如何通过修改工艺控制焊接变形及应力的问题。对列车转向架 构架的关键焊缝进行残余应力的数值仿真，以测试数据作为验证数值模拟可靠性的依 据，从而提出多种方案对转向架构架焊接结果的影响。本课题的研究成果，将会为高 速列车关键部件转向架的实际生产应用提供理论指导。 介于以上分析，本课题将专业有限元软件s y s w e l d 对新型列车的转向架构架结 构的焊接进行计算，首先使用p r o e 对转向架构架构建其三维模型，然后通过 h y p e r m e s h 和v i s u a l w e l d 划分构架的六面体网格并设置换热条件，约束加载等边界条 件，运用热弹塑性有限元法进行理论分析和数值仿真计算相结合的方法，文章第一步 首先为验证可靠性的过程，在各个方面均采用实际工艺的情况下对转向架构架进行焊 接模拟，得出详细的焊接残余应力及变形，进而与测试结果以及实际生产问题进行对 比，得到与修改各种工艺措施的计算结果进行比对的标准。然后对现有的焊接工艺参 数进行调整，如直焊缝环焊缝的焊接顺序、对称焊缝的处理方面进行了多方案对比， 对得到的应力及变形数据结果进行分析，指出其对转向架构架焊接结果的影响。确定 课题的主要研究内容如下： 1 、对给定的转向架模型进行简化及离散化； 2 、转向架焊接数据采集，针对采集来的数据对离散化模型进行边界条件设置 3 、焊接热源模型的校正； 4 、焊接温度场的模拟和数值分析，并与实际数据进行对比以验证可靠性； 5 、在温度场数据下进行焊接接头的金相组织相变分析； 6 、焊接过程中焊接应力的动态变化规律的有限元分析； 7 、实际测试数据对计算所得焊接数据分析和处理； 8 、改进、完善焊接焊接技术参数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章焊接过程有限元分析的理论基础 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，即有限单元法，有限元法的基本思想是 将结构进行有限元离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的工程结构，各个单 元之问通过有限元节点相互连接，根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程，然 后求解，利用误差控制逼近原结构。通过这样一种途径可以将力学、热学、电磁学等 各个学科中理论研究的经验公式，传导函数以及微分方程等应用到计算机程序中，用 于分析研究对象的线性和非线性静动态变化过程。随着现代电子计算机的发展，有限 元法迅速发展为一种应用愈发广泛的现代计算方法。 2 1 有限元法特点及其优越性 运用有限元法针对焊接过程的分析有以下几个特点【3 1 弓3 】： ( 1 ) 为了反映焊接接头各个方向的不同冷却条件，至少焊接区域的网格需要采用实 体单元； ( 2 ) 焊接过程有着自己特点，其温度场是在短时间内加热到融化状态然后迅速冷 却，热源是移动的，从而导致焊接结构上的温度分布非常不均匀； ( 3 ) 材料的力学性能和热学性能与温度场有密切关系，而且之间的相关性非常复 杂； ( 4 ) 焊缝位置材料的塑性变形是由该区域的热输入和力学性能决定的； ( 5 ) 焊缝区及附近区域材料熔化然后在凝固会导致结构间的连接关系的变化； ( 6 ) 要同时考虑焊接结构材料的状态变化和材料组织的相变； ( 7 ) 在极限情况下，在焊接结构焊缝区域焊接冷却后，会产生一些结构缺陷，如裂 纹等，这与有限元理论中所要求的介质连续相违背； 由于该方法有着无可比拟的优越性，在世界工程界有限元的进步堪称突飞猛进， 在焊接过程数值模拟的工作中，运用比较多的有限元分析软件主要有：美国 a n s y s ，美国m a r c ，美国a b a q u s 等通用软件以及法国s y s w e l d 等焊接专业软 件。利用上述软件可以建立温度场，应力应变场关系；可以用合适的特定网格形状对 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 区域进行划分，对模型进行简化优化改进处理；还可以根据场函数的需要调节单元密 度，对区域的形状有较大的的适应性，达到了提高仿真效率和准确性的目的。其更大 的优越性还在于随着计算机技术的不断发展，使得计算的效率越来越高，为更进一步 的应用提供了技术支持。 2 1 1 有限元法的主要步骤 以下就是该方法的几个主要的步骤： l 、连续体离散化。离散化就是把目标系统划分为可以计算的有限元模型，而且该 模型可以与目标系统相互等价，得到的有限元模型可以包含一维、二维和三维单元， 其中一维单元是线段，二维单元可以是三角形也可以是四边形，三维单元则包括四面 体和六面体，为了很好的反应给定的系统，使计算结果更加精确，所以要确定好模型 中采用的单元类型，单元的规模以及排列方式等 2 、选择位移模型。在所建立的位移函数中，节点的位移并不是完全真实的表达实 际结构的位移，通常选择多项式来表达位移，但是多项式只能尽量的接近实际去无法 达到完全一致，所以我们可以通过决定采用的多项式的阶次实现对计算精度的控制和 对计算时间的把握 3 、单元刚度矩阵的变分推导。结合最小能理论，利用单元几何特点和材料参数推 导得到的系数组成单元刚度矩阵，通过它把节点处的位移和所受的力连在一起，这样 实现了把结构受力转化为有限元模型中节点的受力。刚度矩阵k 】。节点力向量妒y 和 节点位移向量侈r 的平衡关系表示为线性代数方程组：k 】。伊y = 钟。 4 、连理所有的代数方程。将所有单元得到的刚度矩阵整合在一起，建立完整模型 的刚度矩阵，把所有单元上的节点力向量组合成为整体的载荷向量，模型中的所有节 点需要满足相互连接的基本原则，即同一个节点处的几个单元需要在这个节点上有相 同的位移，不过也有研究证明，这个原则在特殊情况下可以不遵守。整个物体的节点 位移向量侈) 以及总载荷向量扩) 、总刚度矩阵k 】之间构成整体平衡，其联立方程： k 】伊) = 料。在得到物理系统的基本方程后，要使得整个方程封闭，还需要考虑其边 界条件或初始条件。边界条件的定义依赖于对系统的理解。 5 、计算位移矢量。对以上得到的代数方程进行计算求解，计算过程可能复杂， 例如非线性问题，也有可能简单，在每一步求解的过程中都要对载荷矢量和刚度进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 修正。 6 、通过节点位移计算出单元的应力应变。根据实际情况，有可能需要计算出一 些导出量，不过都相对比较简单。 而具体的焊接过程数值模拟系统是由焊接工艺参数、有限单元基本理论、电子计 算机技术等理论共同协作下进行的。考虑到焊接的实际过程，在模拟的过程中，主要 步骤为前处理、求解、后处理三个过程。其中第一个步骤和第三个步骤是基于计算机 图形技术完成的。 2 2 焊接数值模拟有限元模型建立与方法 要进行焊接温度场的数值模拟，首先要建立需要焊接结构的有限元模型，在模型 中要将焊接的热输入量和结构焊接热辐射都考虑在内，除这两个重要方面之外的一些 条件可以适当忽略，同时基于以上两个参数，建立一个相应的热源模型，该热源模型 将作为结构焊接的移动热源，其中首先要考虑热量在热源中分布及传递方式，此外材 料的热传导速度同样在温度场的产生和分布过程起着至关重要的作用，关于上面两个 方面的研究，在最近几年越来越多的被学者注意，并且有了大量的研究成果。除了最 关键的温度场模拟，我们还需要考虑到三维模型构建，快速加热和冷却的温度梯度， 材料的热力行为，材料的状态及显微组织变化等等 基于有限元基本理论，队所建立的有限元模型的温度场分布进行分析求解【3 4 】，该 计算求解过程可以分为以下三个步骤： 首先要确定焊接材料的物理性能参数； 其次选取合理的边界条件： 最后将需要求解的区域进行离散。 ， 计算中选取的材料为理想化，认为是均匀且各向同性，与焊接过程相关的材料物 理参数是与温度相关的，结合具体的焊接材料的结构和相关的外部环境条件的特点， 在考虑焊接结构或者外部载荷的对称性等特点，对有限元模型进行一些相应的简化， 从而得到合适的简洁的离散的物理模型，此外在焊缝与木材之间，有限元模型单元的 尺寸要有明显的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 曼皇曼舅量鲁量曼皇量量曼皇曼鼍鼍曼曼曼曼量量曼量皇曼量量量皇皇皇曼量詈鼍曼量曼曼皇皇皇皇量皇量鲁皇舅舅置| 喜皇曼量曼喜量量量量量i i 鼍量一 2 3 焊接的热流和温度场计算 在焊接进行的过程中，通过移动热源将大量的热量输入给有限元模型的焊缝区 域，焊缝及近焊缝区会发生材料的融化，再进一步通过各种传热和散热方式，将该区 域的热量传递出来或者部分损失掉，然后导致该区域热量减少，温度降低，进而使已 经融化的金属材料重新凝固，最后熔池冷却凝固后形成连接的工艺过程。对焊接时的 温度场变化的准确研究是预测焊接产生的残余应力和变形的必要条件。 随着焊接过程的继续，该过程很自然地分为三个基本过程，即首先是热输入阶 段，在该过程中金属材料被加热，温度慢慢升高，然后接下来的阶段就是当金属材料 的温度达到材料的熔点，材料融化，最后是材料温度降低，重新凝固过程。在以上三 个阶段中，热量的传导和损失是一致发生的，其中的损失包括通过辐射散热以及对流 散热来将热量丢失在外界环境中，除此之外的热量才是被用来融化金属盒加热焊接结 构。上述各种因素的相互作用关系如图2 1 所示。 图2 1 焊接过程的材料热力学模型图 2 3 1 焊接温度场的基本方程 由于焊接移动热源的加热特点，加热面积小、热输入高度集中造成焊接件产生强 烈的局部加热，经过短暂的高温持续过程，结构中的大量热量又将通过一些方式传递 或者损失到周围环境，在热源的移动过程中，进行焊接的结构的温度场不但随时间发 生剧烈的波动，而且在空间上也是同样变化，因为热源是移动的，此外材料的物理性 能参数同样不是一成不变的，而是随着温度变化的，它们之间呈现出复杂的函数关 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 系。所以焊接结构温度场的分布变化问题属于高度的非线性过程，下面的方程2 1 就 是该过程的控制方程： 胪等= 丢( 名警) + 专( 旯等) + 丢( 名誓) + 百 o 。， c 2 在公式中：p 表示材料密度；c 表示材料比热容；t 表示结构温度场分布函数；名表 示导热系数；t 代表传熟时间；耍代表内热源强度。需要指出，其中有些参数如p 、 名、c 都是随温度变化的。 式( 2 1 ) 为泛定方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微分方程的边界条件 和初值条件。 主要有一下三种边界条件的表达方式： 第一类边界条件，边界上的温度已知情况下： z = 正( x ，y ，z ，t ) ( 2 - 2 ) 第二类边界条件，边界上的热流分布密度已知情况下： 力婺= 吼( w ，z ，t ) ( 2 23 ) 以- = = 吼【工，y ，z ，j l 。j ， 第三类边界条件，给出物体周围介质温度以及物体表面与周围介质的换热系数的情况 下： 力婺：口( t o e ) ( 2 - 4 ) 力：一= 口一? ：j d 以 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见，另外在特殊情况下，当边界条件 为绝热，即与外界无热交换时： _ a t ：0 ( 2 5 ) 以上式中，e 为已知边界上的温度，一是边界法线方向；口是导温系数，吼为从外部 输入单位面积上的热量；瓦为周围介质温度。焊接的温度场通常条件下需要解决的 是热流和换热边界条件。 2 3 2 温度场计算结果和影响 焊接温度场是影响生产率和焊接质量的最主要因素之一，其重要性是不言而喻 的。焊接热过程的计算和测定准确与否，准确的程度，是对焊接冶金、焊接应力变形 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 进行进一步分析及控制的前提。 如果对相变潜热的处理方式发生变化会对结构温度场的分布产生极大地影响，与 实际测量的到的焊接结构热源熔池的尺寸相比，数值模拟得到的熔池尺寸结果显得略 窄，这对距离焊缝较远的区域没有明显作用。 在模型热源的熔池里面的热对流会导致结构的散热和传热速度增加，从而对整个 焊接过程的温度场也产生了重要的影响。对流换热对熔池尺寸产生的影响，取决于其 与熔池的距离关系。 在影响焊接温度场的两个主要工艺因素( 焊接线能量和层间温度) 中，焊接线能 量是热源模型参数的主要影响因素，温度场等温线的分布在焊接热输入不变的情况 下，如果改变其他的熔池参数，会产生明显的变化。而焊接热输入是由焊接的电流和 电压共同决定的，其中的焊接电流越大，就意味着焊接过程很短，这就会导致焊接熔 池和焊接结构温度场分布比较狭小，相反当焊接电流变小时，就会得到相反的结果。 2 4 焊接残余应力及变形的有限元理论 焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊件在焊接过程中， 相交应力、热应力以及加工应力等超过材料屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消 除的应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容存在差异的 组织是产生焊接应力和变形的根本原因。 焊接残余应力的计算包括焊接残余应力的计算和残余变形计算，对计算结果进行 分析将能帮助我们宏观的得到整体的应力分布，进而有针对性地提高焊接结构接头区 域的结构性能，尽量避免焊接结构产生缺陷。其中针对焊接结构残余应力以及焊接变 形的有限元方法包括热弹塑性法和固有应变法。 其应用可以归纳如下： 固有应变有限元方法，着重预测结构的焊接变形，相对可采用较为简化的单元网 格，计算量小计算时间短。 而通过实体单元的热弹塑性有限元解法计算焊接问题分析计算工作量很大计算时 间很长，因为其跟踪了焊接热力学全部的过程，不仅可以得到焊后焊件的变形数据， 而且根据其记录的整个焊件的残余应力，可以非常方便观察并分析整个焊接过程中的 动态应力和变形的信息。在需要精确计算整个焊接过程的情况下，热弹塑性有限元解 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 皇曼曹量曼曼皇曼鲁曼量舅量量量置舅量曼量曼皇皇量曼曼皂量量曼量皇皇曼曼量舅i 皇皇皇置量舅e 皇詈曼皇曼量詈量皇量皇罾量量量皇量量量置量皇量i 法可以得到更好的结果。但是由于不可避免的计算量关系，在计算较复杂结构时比较 困难。 2 4 1 热弹塑性有限元解法 1 弹性区本构关系 ( 1 ) 处于弹性状态时的材料，全应变增量可表示为式( 2 6 ) ： d e ) = d 】。+ d ) r ( 2 - 6 ) 式中： df t 为热应变增量； dp e 为弹性应变增量。当出现应力状态 口) 时，因弹 性矩阵【d 。为与温度相关函数，弹性矩阵与泊松比和弹性模量e 有关，得到公式 ( 2 7 ) 。 脚卜虹州 田冲】- 1 如) + 簪丁 泓) r _ a o d r 十r a 晓o = a o 十鲁丁p = 田刀 热膨胀系数矩阵口与温度相关，其关系为式( 2 9 ) ： ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 悱卜鲁叶 9 ， 将式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入( 2 7 ) 中可得： 帆他) 帆p + a i d 7 1 订 f d 】= d 己 ( 2 1 0 ) ( 2 - 11 ) c 卜圳”警 订】 ( 2 - 1 2 j 由( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 代人则式( 2 7 ) 可写成： d o = 【d 】 d ) 一 c d t ( 2 1 3 ) 、 式( 2 1 3 ) 是在假设材料的物理性能参数与温度的关系是在弹性区域以内的前提下 的应力与应变之间的关系式。 ( 2 )