机车车辆焊接结构热成型仿真

【摘要】：轻量化焊接构架是现代机车车辆转向架的关键承载部件之一,其强度可靠性对机车车辆的安全运行起着决定性的作用。轻量化构架的主要承载部件采用箱型薄板焊接结构,在焊接成型过程中,由于热量在瞬时急剧增加,随后在室温环境冷却,其使成型结构存在显著的残余应力。为了降低焊接残余应力和焊接变形,优化焊接工序,分析焊接成型过程具有较高的工程价值和意义。 由于金属材料中热传导的速度非常快,要使焊缝达到完全熔化,必须施加高度集中的热源,从而产生极其不均匀、稳定的温度场,这是产生焊接残余应力和变形的根本原因。由于焊接热源及其附近的温度场分布不均匀,致使在空间上模拟焊接热源的局部区域需要很细的网格,时间上需要很小的时间步长,才能较精确地模拟焊接过程。此外,在焊接过程中,由于结构几何和材料的高度非线性,导致计算收敛比较困难,不得不使得迭代次数的增加,计算时间冗长。 本文综述了国内外关于焊接温度场、焊接应力、变形现状及焊接成型数值模拟技术难点,系统地论述了焊接热过程的有限元分析理论和焊接残余应力与变形基本理论。为了更加精确地模拟焊接过程,重点研究了适合角接接头焊接的热源模型,把当前几种广泛应用的热源模型都应用于角接接头的焊接过程数值模拟,通过结果对比,得出最适合的热源模型是均匀热源模型。对于大型焊接结构,由于焊缝区域及其附近需要细化网格,其有限元计算模型规模巨大,且计算时间冗长。针对此问题,本文将子结构技术应用到焊接过程数值模拟中,得出全结构与子结构的两种计算结果在焊缝及距离焊缝较近的区域(非子结构区域)焊接残余应力基本一致,只是在远离焊缝的区域焊接残余应力分布稍有不同,其对结果影响不大,而且采用RESOLVE扩展方法与全结构计算结果在远离焊缝的区域会更加接近。 本文通过对某地铁动力车转向架构架箱型侧梁6条主焊缝的焊接温度场、焊接动态应力和变形场进行数值模拟,得出了箱型侧梁焊接过程的温度、动态应力和变形的变化规律,以及最终冷却后的残余应力和变形,实现了应用三维实体有限元模型对大型结构焊接过程进行准确数值模拟的应用,为后续研究大型焊接结构的数值模拟奠定了基础,具有较强的理论意义和一定的工程实际意义。