机车焊接构架变形矫正的弹塑性分析

安红恩，马海英

（黄河交通学院，河南 焦作 454950）

机车焊接构架变形矫正的弹塑性分析

安红恩，马海英

（黄河交通学院，河南 焦作 454950）

为了更好地了解矫正过程中构架的弹塑性力学行为，本文对机车焊接构架变形的矫正进行弹塑性有限元分析。应用大型通用非线性有限元分析软件MSC.Marc对矫正过程进行了数值模拟，得到了在两种给定的变形情况下，矫正结构时需要施加的压力大小及矫正过程的其他相关力学特征，同时也提出了应当引起注意的几个问题，结果有实际参考价值。

焊接构架；变形矫正；弹塑性分析

0　引言

本文所计算的构架结构其几何示意图如下。

图1　构架结构几何示意图

该构架由侧梁、前端梁、后端梁、牵引梁、横梁等几大部分组成，这几个部分通过8个位置，共32条焊缝连接为一个整体。由于焊接过程受到各种复杂因素的影响，焊接后的构架常常会产生一定的变形，比如端梁的挠曲、侧梁一端翘曲或挠曲等，这些变形会不利于构架的正常使用，会对列车的运行带来隐患。为消除对结构产生的不利影响，需要使用压力机对构架进行机械矫正，控制变形在规定范围之内，保证构架的正常使用。

构架的机械矫正过程将使构架产生塑性变形，属于弹塑性力学问题。为了更好地了解矫正过程中构架的弹塑性力学行为，本文特对该焊接构架变形的矫正进行弹塑性有限元分析。应用大型通用非线性有限元分析软件 MSC.Marc对矫正过程进行了数值模拟，得到了在三种给定的变形情况下，矫正结构时需要施加的压力大小及矫正过程的其他相关力学特征［1］。

1　构架有限元模型

1.1构架有限元模型图

该构架结构的有限元模型在Hypermesh软件中定义。Hypermesh是CAE领域著名的前后处理软件，利用它可以获得高质量的有限元网格，提高计算分析结果的准确性。随后利用Hypermesh和MSC.Marc之间的接口，导入 MSC.Marc中进行弹塑性有限元分析。

该有限元模型中共有节点总数31608个，壳体单元数33413个。图2给出了构架结构的有限元网格。

图2　构架结构有限元模型

模型中的单元类型选用四节点双线性等参壳元（MSC.Marc中的ELEMENT 75）。与板元相比，壳单元由于综合考虑了结构单元中面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应，具有更高的计算精度。同时与高阶壳单元相比，线性单元由于插值函数简单，具有更高的计算效率，因此比较适合进行非线性分析［2-3］。

收稿日期：2016-04-02

作者简介：安红恩（1982―），男，河南商丘人，讲师，工程硕士，主要从事车辆装备及液压控制研究。

1.2载荷曲线

本文需要模拟的是矫正过程的弹塑性力学行为，包含一个完整的加载和卸载过程。在加载过程中，构架结构将发生不可恢复的塑性变形，当完全卸载后，构架由于塑性变形的发生而存在残余变形，该残余变形与构架的初始变形在一定程度上相抵消，从而达到构架矫正的目的。因此本文利用MSC.Marc中的TABLE工具，定义了随时间变化的加载曲线，对两种工况的计算荷载均采用线性逐级加载，达到最大压力后逐级卸载的方式。图3给出了随时间变化的载荷示意图。

图3　随时间变化的载荷曲线示意图

图中的纵坐标表示逐级施加的压力值，横坐标表示时间，这里的时间仅仅用来描述载荷步。该加载、卸载过程共分为50步，每0.02秒为一个载荷步，其中t = 0～0.5秒为加载过程，共25个载荷步，t = 0.5秒时压力达到最大值P（对于不同的工况，压力最大值P不同），随后开始卸载，t = 0.5～1.0秒为卸载过程，共25个载荷步，t =1.0秒时完全卸载，压力值减为0，矫正过程结束。

2　计算工况和位移约束

2.1第一工况：侧梁垂向挠曲变形10mm时的矫正

假定侧梁2发生了变形，根据工厂提供的约束条件与荷载施加方式，矫正计算模型如图4所示。

矫正时构架的上盖板朝下，约束1在侧梁2与前端梁上盖板焊缝处偏内，将上、下盖板正方形区域的节点固支，约束其全部6个自由度；约束2在侧梁2另一端相应位置上，约束其垂向和横向位移；约束 3在侧梁 1与其他部分中心线相交位置（图4（a）a、b、c、d处）约束节点的垂向位移，以保证侧梁1在矫正时不发生大的变形；在侧梁2中部下盖板位置正方形区域施加压力P。

图4　第一工况荷载及约束图

2.2第二工况：侧梁端部垂向翘曲变形 10mm时的矫正

假定侧梁2前端发生了翘曲变形，根据工厂提供的约束条件与荷载施加方式，矫正时构架的上盖板朝下，约束1在侧梁2与后端梁焊缝偏内位置，约束上下盖板节点的6个自由度；约束2在侧梁2中部上盖板的节点，约束垂向和横向位移，约束 3同第一工况，约束垂向位移，避免侧梁1发生大的变形；在侧梁2端部焊缝偏内的正方形区域施加压力P［4-5］。

2.3第一工况计算结果

通过计算，当压力F为232.3吨时，侧梁2在矫正过程中产生的最大残余变形为10.19mm，与挠曲变形值相当，达到结构矫正的目的。部分计算结构如图5所示。

由图5中可以看出，在第18载荷步之前，位移为随时间线性变化，也即随荷载线性变化，此时构件结构处于弹性状态，压力小于 167.3吨，当荷载继续增加，构件结构部分区域进入塑性，位移与荷载步之间不再是线性关系，位移增加的速度加快，在第25载荷步，位移达到最大值2.632mm；随后为弹性卸载过程，节点位移随载荷线性减小，到达第50载荷步时，构件完全卸载，但这时构件结构将由于塑性变形而不能完全恢复到初始状态，节点25284将存在垂向残余位移10mm。

图5　侧梁中部节点25284垂向位移随载荷的变化曲线

2.4第二工况计算结果

通过计算，当压力F为125.5吨时，侧梁2端部在矫正过程中产生的最大残余变形为10.4mm，与初始变形值相当，达到结构矫正的目的。

与工况一相似，在第18载荷步之前，位移随时间的变化基本是线性，也即随荷载线性变化，此时结构处于弹性状态，压力小于90.3吨，当荷载继续增加，构件结构部分区域进入塑性，位移与载荷步之间不再是线性关系，位移增加的速度加快，在第25载荷步，位移达到最大值67.25mm；随后为弹性卸载过程，节点位移随载荷线性减小，到达第 50载荷步时，结构完全卸载，但这时结构将由于塑性变形而不能完全恢复到初始状态，节点11276将存在垂向残余位移10mm［6-7］。

3　结论

计算表明：

（1）侧梁挠曲变形10mm时，矫正过程需要施加的压力为232.3吨；

（2）侧梁一端翘曲变形10mm时，矫正过程需要施加的压力为125.5吨；

（3）机械矫正过程将使结构发生塑性变形，矫正结束后结构部分区域将存在较大的残余应力，这些均不利于结构的安全，因此应尽量减少矫正的次数和幅度。

（4）结构进入塑性状态后，位移随荷载的增加速变快，应当控制压力机的加载速度，以免“矫枉过正”。

（责任编辑 杨文忠）

［1］ 张三磊，罗宇，陈陟悠.动力机车转向架侧梁焊接变形预测［J］.焊接学报，2010，05（10）.

［2］ 刘洪林，焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施［J］.科技信息，2012（1）：222.

［3］ 赵天运，骆焱，许有全.大秦重载铁路75kg/m钢轨18号固定型辙叉设计研究［J］.铁道标准设计，2012（2）：7-10.

［4］ 洪晓祥.高速列车铝合金车体焊接构件残余应力数值模拟［D］.成都：西南交通大学，2011.

［5］ 杨德修.重载铁路轨道技术发展方向研究［J］.铁道工程学报，2012（2）：41-44.

［6］ 李成涛.铁路车辆焊接结构的残余应力与变形仿真研究［D］.大连：大连交通大学，2013.

［7］ 马思群，刘业华等.焊接顺序对高速列车侧墙焊接残余应力的影响［J］.大连交通大学学报，2015，36（3）：68-72.

Elastic and Plastic Analysis of Deformation and Correction of Welding Frame of Locomotive

AN Hong-en，et al
（Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454950， China）

In order to better understand the elastic-plastic mechanical behavior of the frame during the process of correction, this paper analyzes the deformation of the welded frame with an elastic plastic finite element analysis. The correction procedure is simulated by using the large general nonlinear finite element analysis software MSC.MARC, and the pressure magnitude and other relevant mechanical characteristics of the correction process are obtained in the case of three kinds of deformation. The results can be used for reference, and some problems should be paid attention to.

welding frame; deformation correction; elastic plastic analysis

TG404

A

1008–2093(2016)03–0014–03