B型铝合金地铁枕梁焊接数值模拟分析

程虎 沈精虎 戴昆 刘蓉

摘要：  针对地铁枕梁焊接中存在的残余应力对列车性能和质量产生的影响问题，本文基于Simufact. welding软件，对B型铝合金地铁车体底架中的枕梁进行焊接数值模拟分析，对焊接后的残余应力与变形分布进行分析，并对不同的焊接接头形式创建不同的热源模型，对实际工况下的多层焊道进行简化处理，以单层焊道代替多层焊道，得到焊接的热循环曲线。同时，以简化处理得到的热源模型代替常规的双椭球热源模型，对整个枕梁进行数值模拟分析。仿真结果表明，由于焊缝附近位置节点被约束，当焊缝焊接完成，进入冷却过程时，焊缝收缩。因远离焊缝的枕梁型材中部和弧形板处没有约束，因此变形较大。该研究比较准确地模拟了实际生产中焊接应力的变化情况，为地铁枕梁的焊接提供了技术支持。

关键词：  Simufact.welding; 枕梁; 热源模型; 热循环曲线; 模拟分析

中图分类号： TG404文献标识码： A

作者简介：  程虎（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为焊接仿真分析。

通信作者：  沈精虎（1965-），男，硕士生导师，主要研究方向为机械CAD/CAM技术。 Email： postmaster@laohu.net

地铁属于城市轨道交通的一部分，但与城市道路基本没有交叉，其具有速度快、运能大和时间准[1]的优点。近年来，随着我国城市轨道交通技术的不断发展，列车速度不断提升，其安全性、可靠性、舒适性等问题得到了广泛关注[23]。为提高列车的行进速度，增大载客能力，提高车辆行驶的安全性，降低制造和运营成本，地铁轻量化是一种行之有效的措施[4]。目前，我国地铁普遍采用铝合金车体，铝的密度约为碳钢的1/3，与不锈钢车体相比，铝合金车体的自重一般可减少30%～40%[56]。国内的铝合金系主要有1000系纯铝系、2000系铝铜系、3000系铝锰系、4000系铝硅系、5000系铝镁系、6000系铝硅镁系、7000系铝锌镁系和以其他元素为主的8000系[7]。其中，6000系铝硅镁合金是国内铝合金牌号中的锻铝合金，具有良好的抗腐蚀性能和焊接性能，可热处理强化，无应力腐蚀倾向，具有极佳的压力加工成型性[8]。由于有限元仿真技术已广泛应用于焊接问题的研究中，为降低动车组车体加工中的焊接残余应力，马思群等人[9]对动车组KK端多道焊焊接残余应力进行仿真研究;而为了提高钢板焊接质量，王士军等人[10]采用Ansys软件对钢板填充焊接过程进行了有限元模拟仿真分析;在不确定响应下，Zheng Li等人[11]采用焊接模拟方法对结构进行了热力耦合分析。铝合金车体主要由底架、侧墙、端墙和车顶等大部件组成，其中车体枕梁位于底架中，是铝合金车体重要的支撑和连接部件[12]，此部位与牵引梁等部件相连，受力较大且复杂[13]。枕梁中，各组件的连接方式为焊接，焊接方式均采用熔化极惰性气体保护焊（metal inertgas welding，MIG）[14]，其焊缝较多，残余应力较大，影响车体的装备精度和外形，降低车体的承载能力和使用寿命，易出现安全隐患，需要进行校核，以确保列车行车安全[15]。基于此，本文主要对B型铝合金地铁枕梁进行焊接数值模拟分析，仿真较为准确地模拟了实际生产中焊接应力的变化情况。该研究对提高地铁枕梁的焊接质量具有重要意义。

1焊接过程数值模拟分析

在计算铝合金车体枕梁结构应力应变时，采用SIMUFACT公司旗下的Simufact. welding软件进行焊接工艺仿真计算，并对焊接过程进行数值模拟分析。

1.1几何模型和网格划分

枕梁结构几何模型宽1 138 mm，长2 580 mm。共有焊缝17条，最短处焊缝238 mm，最长焊缝2 580 mm，焊接类型为MIG焊，枕梁结构几何模型如图1所示。

枕梁结构的网格划分采用六面体结构单元，在Hypermesh软件中进行网格划分，网格单元103 760个，节点数139 801。焊缝处的网格尺寸约为5 mm，热影响区的网格尺寸为10～15 mm，其母材网格尺寸为15～20 mm，网格尺寸呈渐变增加趋势[16]。枕梁结构划分后的网格模型如图2所示。

1.2材料数据库的建立

在铝合金车体中，枕梁材料为6005A-T6，焊枪填充材料为AlMg4.5MnZr，材料化学成分如表1所示。

为准确模拟实际工况下的焊接过程，需要在Simufact. welding中建立6005A-T6和AlMg4.5MnZr的数据库，使用JMatPro软件可以较为准确地查找出材料在不同温度下的热力学性能，材料比热随温度变化曲线如图3所示，材料热导率随温度变化曲线如图4所示，材料密度随温度变化曲线如图5所示。材料的这三种热力学性能是影响焊接分析结果最主要的三个参数，在Simufact. welding中需要对这三项参数重新进行设定。

1.3热源模型

热源模型是作用在焊接件上，在时间域和空间域上热输入分布特点的一种数学表达式[17]。目前，用于焊接数值分析中所有的焊接热源模型大都不随时间的变化而变化，也就是静态热源[18]。Simufact. welding支持常规型和激光焊两个预定义的热源，常规型用于气焊、手工电弧焊、MSG、WSG和UP焊接;激光焊用于激光和电子束焊接（正太分布区域热源和恒定圆柱热源组合）。由于枕梁处的焊接是MIG焊，属于常规焊接的一种，采用双椭球热源模型，双椭球热源模型如图6所示。

1.4焊接顺序

按照实际加工顺序设置焊接顺序，枕梁焊接顺序如图7所示。图中带S的焊缝为相同焊缝的对称位置，按照如下顺序进行焊接：

1.5焊接接头

在实际工艺中，铝合金地铁枕梁的焊接形式有两种：一种是两个10 mm板对接，另一种是两个25 mm板对接。对于薄板（10 mm）焊接，实际焊接工艺采用3层焊道，对于厚板（25 mm）焊接，采用10～14層焊道。对不同形式的焊接接头形式创建不同的热源模型。

两个10 mm板对接接头，焊接效率取0.8～0.9，焊接接头形式如图8所示，图8中，t1=10 mm，t2=10 mm，b≤1 mm，c=2～3 mm，α=70°。焊接顺序如图9所示，其焊接工艺规程如表2所示。

两个25 mm板对接接头，焊接效率取0.8～0.9，焊接接头形式如图10所示，图10中，t1=25 mm，t2=25 mm，b≤1 mm，c=2～3 mm，α=70°。焊接顺序如图11所示，其焊接工艺规程如表3所示。

对于大型焊接仿真，热源模型一般不会选择双椭球热源，而是选择简化的热循环曲线作为热源模型[21]。如果焊缝焊道过多，热循环曲线的获取会变得困难，即使得到了热循环曲线，大型结构的仿真计算也变得耗时巨大，实际工程中的经济效益会变低。因此，可进一步简化多层焊道的焊缝，用单层焊道代替多层焊道，从而得出简化的热循环曲线。将两个10 mm板对接接头分别做单层焊、双层焊和多层焊处理，得到焊接后的残余应力。同理，将两个25 mm板对接接头分别做单层焊、双层焊和多层焊处理。焊接残余应力随距焊缝中心位置变化曲线如图12所示。

由图12可以看出，采用不同层数的焊接，残余应力的大小与分布趋势相似，因此可以把多层焊焊接用单层焊焊接简化处理，得到单层焊接的热循环曲线。焊接温度随时间变化曲线如图13所示。由图13可以看出，该热循环曲线分别提取了2个10 mm板对接接头和2个20 mm板对接接头焊缝沿着焊接方向中间截面的节点从开始的初始温度20 ℃到焊缝熔化并升温到最高温度随后冷却到200 ℃以下的温度变化。

2结果与分析

采用简化后的热循环曲线作为热源进行焊接仿真。在铝合金车体枕梁的整体计算中，枕梁母材材料为6005A-T6，焊缝填充材料为AlMg4.5MnZr，熔化温度范围为580～620 ℃。按照图7梁焊接顺序进行焊接，并加载热循环曲线，当焊缝温度升到最高时，温度场最高为677.96 ℃。枕梁焊接完成后，位移最大为2.68 mm，发生在枕梁型材中间位置，枕梁整体位移变形如图14所示。

由于焊缝附近位置节点被约束，当焊缝焊接完成进入冷却过程时，焊缝收缩，而远离焊缝的枕梁型材中部和弧形板处没有约束，因此变形较大。采用热循环曲线作为热源模型，加载完毕后，提取枕梁有限元模型中应力最大焊缝和应力最小焊缝纵向焊接残余应力，残余应力随距焊缝中心位置变化曲线如图15所示。由图15可以看出，焊缝处的残余应力的轨迹是相似的，且符合一般焊接过程的分布规律[17]。

3结束语

本文主要通过Simufact. welding软件，对B型铝合金地铁枕梁焊接数值模拟仿真分析。分析枕梁结构在焊接过程的温度场、应力和变形情况。在实际工艺下，通过对比多层焊道与简化后单层焊道的残余应力可知，单层焊、三层焊和多层焊残余应力趋势相似，数值差别不大，多层焊道简化为单层焊道是可行的，可以大大减少工作时间;在焊接应力场的分析中，焊接装夹位置处会出现较大的等效应力，产生应力集中，除装夹位置外，应力较大的区域出现在焊缝热影响区。平行于焊缝方向的应力（纵向应力）会大于垂直焊缝方向的应力（横向应力），焊接顺序对残余应力的大小产生一定的影响，两个距离较近的焊缝，先焊接焊缝周围的残余应力小于后焊接焊缝周围的残余应力，在实际焊接过程中，可以把重要的部位或者容易集中的部位先进行焊接，以减小残余应力。该研究为地铁枕梁的焊接提供了理论依据。

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Abstract：  Aiming at the influence of residual stress on train performance and quality in the bolster welding， based on Simufact. welding software， the numerical simulation of welding was carried out on the bolster in the metro vehicle aluminum car body to solve practical engineering problems and the residual stress and deformation distribution after welding were analyzed. Different heat source model is created according to different modes of welded joints and the simplification of actual working conditions of multilayer welding bead， multilayer welding bead is replaced by a single welding bead to get the welding thermal cycle curve. The simplified heat source model is used instead of the conventional double ellipsoid heat source model to simulate the whole bolster， and the welding temperature field and residual stress are obtained. The simulation results show that due to the constraint of the position nodes near the weld， the weld shrinks when the welding is completed and enters the cooling process. Because there is no constraint at the middle of the bolster profile and the arc plate far away from the weld， the deformation is large. The research accurately simulates the change of welding stress in actual production， and provides technical support for the welding of bolster.

Key words： simufact. welding; bolster; heat source model; thermal cycling curve; simulation analysis