某车体侧墙立柱焊接过程CAE仿真研究

满春水 李晓东 衷 扬 李龙飞 李文娟 石 磊

（南车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210000）

目前，CAE（计算机辅助工程）的研究已经在制造业推广，在影响CAE技术发展的诸多因素中，人才、计算机硬件和分析软件是三个最主要的方面，现代计算机技术的飞速发展，已经为CAE技术奠定了良好的硬件基础。多年来，重视CAE技术人才的培养和分析软件的开发和推广应用，发达国家不仅在科技界，而且在工程界，已经具有一支较强的掌握CAE技术的人才队伍，同时在分析软件的开发和应用方面也达到了较高水平。

焊接技术是现代制造业中最有效、应用最广泛的连接方法，广泛应用于轨道车辆、船舶、航空航天等制造工程领域。在焊接过程中，由于其不均匀的加热及冷却过程，焊接结构焊后存在着不可避免的焊接残余应力和变形。特别是对于大型结构而言，结构尺寸大，形状复杂，焊缝总长度长，焊后残余应力、变形情况更为复杂，对制造精度及使用性能的影响更为显著，装备制造业为国民经济各行业提供技术装备，产业关联度高、吸纳就业能力强，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。最近几年，我国的制造业发展速度快，重大技术装备自主化水平显著提高，已经成长为装备制造业大国。然而产业大而不强，高新技术与传统装备工业改造结合不够，装备制造业信息化程度、自动化程度不高。对于铝合金车体而言，由于铝合金具有导热率大、热膨胀系数大等特性，其焊接结构焊接残余应力、变形更为显著，因此对铝合金车体的焊接变形控制也成为亟待解决的问题。

焊接数值模拟技术充分利用现代计算机技术和高性能计算技术，通过建立精确的数学物理模型，数字化再现焊接过程，可有效地实现对复杂或不可观察现象的定量分析。应用数值模拟技术为实际焊接生产提供全面的参考数据和可行性理论支持，为控制焊接变形提供了一个很好的方法，是提高焊接技术科学性的有效工具。

有限元法求解焊接问题就是通过软件内置的一系列的假设和近似，获得了微分方程（或积分方程）及相应的定解条件，并预期在某一连续空间和时间内求解这组方程后，微分方程（或积分方程）的解等价于物理解。由于微分方程求解存在数学上的困难，所以采用时间和空间离散的方法，将微分方程组及其定解条件转化为一个超大型的代数方程组，并预期求解这个代数方程组后，代数方程组的解等价于微分方程的解。

焊接变形预测对焊接结构的生产和使用具有重要意义，进行焊接变形准确预测较为困难。焊接变形预测的理论依据主要有解析法、基于弹性有限元的固有应变法，焊接热弹塑性有限元法、粘弹塑性有限元法、建立在实验和统计基础之上的经验公式等。解析法以焊接热传导理论、结构力学理论、残余塑变理论或弯曲理论为基础，能够确定一些较为简单的焊接变形。对于复杂构件，利用解析法求解则非常困难。

本文使用ABAQUS软件，模拟了车体侧墙边梁立柱焊接这一典型焊接结构，对计算结果和试验结果进行对比，为不同焊接结构计算分析选择适用方法提供了参考。并对其温度场分布进行了模拟。本研究利用现有车体侧墙焊接结构的焊接试验，以及大型商用有限元软件ABAQUS的模拟，完成了焊接试验及计算机仿真，进行了多区域网格划分、焊接温度场分析、焊接变形过程再现、现车焊接试验、焊接热输入量预测，寻求材料可能的极限服役状态，而对已有的先进材料也必须预设典型的服役环境，推演其可能的焊接行为。

1 数值模拟方法

本文利用大型商用有限元软件ABAQUS，完成车体侧墙立柱结构的焊接过程的计算机仿真，并跟踪侧墙制造过程，在现车上进行了焊接试验，对焊接过程进行分析，调整和优化了焊接工艺。

1.1 侧墙结构的描述

铝合金车体侧墙是铝合金车体的一部分，主要由边梁和立柱拼焊而成，侧墙作为支撑结构，对车体平稳性具有重大影响，其关键点为立柱与边梁的组焊。

1.2 试验模型的选择

本文为真实再现某铝合金车体侧墙的实际试验工况，建立了侧墙部件的整体模型，试样重点提取了侧墙边梁、立柱间的焊缝，其真实结构得到还原，如图1所示，能够更有效地从焊接接头层面上分析焊接的过程。

图1 侧墙结构图

1.3 试验物理现象描述

本文以铝合金车体侧墙结构为研究对象，应用双椭球热源模拟的方法，对其进行焊接变形数值模拟，分析了其焊接特征。并通过改变焊接方向、焊接顺序，对比改变前后变形情况，对铝合金车体侧墙结构的焊接过程进行工艺优化。本文具体研究内容包括：

（1）建立车体侧墙结构的焊接温度场计算有限元模型，并对其进行模拟计算。

（2）结合实际工业生产时的卡具条件，建立了车体侧墙结构焊接变形的热弹塑性有限元分析模型，并使用双椭球热源法对其进行模拟计算，对焊接情况进行对比分析，总结了其分布规律及特征。

（3）通过改变焊接方向和顺序以及改变热输入量，提出合理可行优化方案，并按照提出的方案分别对车体侧墙结构焊接变形进行模拟计算，将其模拟结构进行了比较，分析了各方案对焊接质量的影响，选择了最优方案。

分析主要针对边梁、立柱焊接过程，如图2所示。

图2 焊缝状态图

2 焊接试验的热源模型描述

焊接热源模型包括高斯热源模型、双椭球热源模型和半球状热源模型，高斯热源模型是温度在等直径圆范围内，温度高低是按高斯曲线分布的，一般用于手工电弧焊、钨极氩弧焊的计算中。半球状热源模型一般用于高能束焊等的计算中，本文涉及到的焊接使用传统MIG焊焊接，热源模型选择双椭球热源模型，考虑到热源移动时热流分布的影响，热源前后方分布方式不同。双椭球热源模型一般用于MIG焊等穿透能力强的计算中，模型如图3所示。

图3 双椭球热源状态图

3 焊接仿真、变形测试过程描述

本文针对铝合金车体侧墙采用仿真和工艺验证的方法同时进行，以普通PC机为首选软件平台，并且采用传统的手工焊接进行焊接试验，采取了一系列针对性的技术进步措施，发展出针对车体其部件焊接行为的“焊接工艺仿真、热输入量预设、过程模拟、行为计算、现象表征、优化方案”手段。

3.1 侧墙焊接仿真有限元模型

根据现有焊接工艺，建立带工装夹具侧墙模型进行焊接仿真试验，预测出各工况下的焊接变形，对比分析后实现对侧墙焊接试验的工艺模拟，试验采用双椭球热源模型进行加载。

记录不同工况下的焊接质量，预设焊接热输入量以及预设的热输入量对焊接质量的影响，真实再现了侧墙立柱MIG焊焊接全过程，侧墙边梁、立柱有限元模型及分析结果如图4和图5所示。

图4 侧墙有限元模型

图5 侧墙焊接热流分布图

3.2 铝合金车体侧墙焊接试验

本文焊接侧墙边梁和立柱，母材为某型号铝合金，焊接接头采用角接，焊接位置PB，铝合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具难熔性质，铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不融合现象，同时氧化膜可以吸收很大水分，常常成为焊缝气孔的重要原因之一，再者，铝及铝合金的热导率大，导热系数及热膨胀系数是钢的3倍，因此对于焊接相同厚度的铝合金和钢，铝合金焊接需要的热量更大，而且会有严重的扭曲变形和较高的残余应力。

本文进行的焊接试验，通过以下方面减少了焊接缺陷：

（1）避免电流太小或焊速过快（线能量不够）。

（2）避免电流太大，使焊条大半根发红而熔化太快，母材还未到熔化温度便覆盖上去。

（3）避免坡口有油污、锈蚀。

（4）避免焊件散热速度太快，或起焊处温度低。

（5）避免操作不当或磁偏吹，焊条偏弧等。

图6 现车试验焊缝

3.3 铝合金车体侧墙焊接试验调试结果

根据焊接仿真试验及现车焊接试验，最终得到优化的工艺方案，对比和试验的方案如表1所示。

表1 工艺方案对比焊接质量

结果显示，按照工艺6的数值进行预置，依据EN910（金属材料焊缝破坏性试验-弯曲试验）、EN1320（金属材料焊缝破坏性试验-断裂试验）对调整焊接工艺的接头进行力学性能测试，其结果满足产品技术要求，依照工艺6进行焊接的焊缝的焊接质量最佳。

4 结果与讨论

本文利用大型商用有限元软件ABAQUS，采用有限元方法和实验验证的方法针对某铝合金车体侧墙在焊接过程中热循环行为进行了预测，在焊接电流和焊接电压两个层面，加以对比分析，通过试验和计算结果我们可以发现，仿真试验很大程度上提高了焊接试验的效率，将CAE分析与车体制造工艺同时作为研究对象完全可以实现，尤其是在焊接制造工艺方面，CAE仿真分析得到了充分运用。

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