对转向架构架箱形梁焊接温度场及应力场数值模拟分析.pdf

《对转向架构架箱形梁焊接温度场及应力场数值模拟分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、转向架构架箱形梁焊接目皿度场及应力场数值模拟分析黄4~n'l-：中国工程物理研究院工学院，讲师，四川绵阳，夏伯才：中国工程物理研究院工学院，教授，四川绵阳，刘锦雄：中国工程物理研究院工学院，讲师，四川绵阳，摘要：焊接数值模拟由于其过程复杂、焊接热源高度集中、温度场瞬时变化且分布极不均匀等因素使模拟难度很大。以转向架构架箱形梁为研究对象，以有限元分析软件ANSYS为平666222台，通过参数化设计语言APDL编程模拟高斯热999OOO源移动，利用单元生死技术模拟焊缝金属O填O充O过程，得出箱形梁焊接温度场、热应力场及残余应力的演化规律，为复杂焊接结

2、构的数值模拟可行性研究提供依据。关键词：转向架构架；箱形梁；焊接；温度场；应力场；数值模拟靠一些经验方法和简单数学模型。经验方法的获取需要大量实验，增加制造成本，延长制造周期；简单数学模型是在各种假设简化下求解得到解析表达式，而对于实际焊接结构而言，也只能作为参考。随着计算机技术的发展及有限元等数值方法的应用，有关学者开始进行焊接数值模拟研究，但由于种种因素的制约，实际复杂构件的焊接数值模拟分析计算仍存在很大难度。构架形作梁为组转焊向而架成的重要承载和传力部件，主要南箱，焊接过程中不可避免地会产生1有限元建模分析残余应力。若能对焊接残余应力进行分

3、析预测，了解其产生和存在的规律，可为优化结构和工艺设计等提供依以某一机车为例，转向架构架侧梁材料为16Mn据，对提高焊接承载能力、延长使用寿命具有重要的工钢，侧梁由箱形梁组焊而成，焊接方法采用Ar+CO混程实用价值。最初对焊接残余应力的预测和分析主要依合气体保护焊。由于焊接热源在时间和空间上分布不一30一j篓C／"／／NESERA／LWA)／S2011／03均，要求空间上模拟焊接热源的区域需要用极细的网和应力应变的模拟计算精度，特别是近热源域会产生格，时间上需要分成很细的时间步长，才能比较精确地很大影响。常用的焊接方法如手工电弧焊、钨极氩弧焊模拟

4、焊接过程。但是，当焊缝较长且实际构件形状较复等采用高斯分布的热源模型能够得到较满意的结果。因杂时，如整个模型采用均匀网格划分，则模拟计算规模此，采用高斯分布的热源计算模型。和所需时间急剧增加，使实际焊接过程的模拟难以实焊接过程中，焊接局部加热到很高温度，整个焊接现。冈此，在焊缝区域内采用细网格划分，以提高计算温度变化十分剧烈，必须考虑材料特征参数随温度变化精度，远离焊缝区域采用稀疏网格划分，以此减少整个的因素，低温时这些特性参数可以从手册查到，但高温模型的计算量。时的试验数据比较缺乏，且在足够高的温度下，弹性模为简化模型，取梁长0．5m作为研究对

5、象，分析侧梁量和屈服极限等重要参数的数值接近于零，失去其实际焊接过程中应力变化特点。焊接过程是一个牵涉到电弧物理意义。以弹性理论为基础进行数值模拟时这些参数物理、传热、冶金和力学的复杂过程，影响焊接残余应必须是非零值，且当参数取值过小时会导致收敛网难，力、应变的因素主要有焊接温度场和金属显微组织。研即使收敛也会使计算时间大幅增加，参数取值偏大时又究表明：对于低碳钢，相变一般发生在较高温度，此时会影响结果的准确性。材料的屈服强度很低，材料容易变形，对最终的残余应所选焊接材料l6Mn钢的材料特征参数见表1，高温力影响不大，可忽略不计。因此，焊接残余应

6、力分析可时的数据通过外推法获得J。简化为热传导(瞬时温度场)和力学平衡状态(非线性表1材料特性参数应力应变场)24"过程进行分析计算⋯。2温度场计算2．1温度场数学模型焊接温度场计算数学模型即焊接热传导的微分方程。对于任何一种固体材料，假定其求解域VER，则V内任何一点的瞬态温度(X，，z，，)应满足方程：=——=旦——(L七——)+——(L七——)，+焊接过程是一个瞬态非线性变化的过程，时间步p：：8xax8xYay长的选择对计算精度有着非常大的影响，通过判断所得温度场的变化是否为准稳态状态判断时间步长是否满(七)+()(1)zz足计算精度的要

7、求。实验证明，当焊接阶段时间步长取式中：p为求解域的内部热源强度；七，，P分别为材料O．25S、冷却阶段时间步长取1s时，既能满足计算精度的导热系数、比热及密度，均为温度函数。的要求，计算时间也不会过长。热源移动通过ANSYS参式(1)为泛函方程，为获得定解，需给m定解条数化设计语言APDL定义循环实现，并采用单元生死技件，即微分方程的边界条件，定义模型周围表面为换热术模拟每道焊缝的填充过程，常温下自然冷却。箱形结边界条件，即构梁温度场变化如图l所示。由图1可知，冷却前50S，焊接温度场变化很大，从_Ir=()I『(2)加热时的近2000℃急剧下

8、降至100cC左右，而冷却350s式中：为表面换热系数；为流体介质温度。后温度基本趋于平稳，缓慢下降。2．2箱形梁温度场分析3箱形梁应力