基于固有应变法的转向架构架焊接变形数值模拟

刘 赞，陈 鹏，梁 勇，范兴文，徐紫薇

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

基于固有应变法的转向架构架焊接变形数值模拟

刘 赞，陈 鹏，梁 勇，范兴文，徐紫薇

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

使用SYSWELD中的固有应变法对转向架构架进行有限元分析。采用三种不同焊接方向的方案对构架变形进行数值模拟，模拟得到每种方案下构架各方向上的焊接变形。结果表明，使用固有应变法能够对大型构件进行焊接模拟；不同方向下的焊接变形趋势一致，但在不同位置上构架的变形不相同；可以设计适当的焊接方向，使产生的变形和弯曲减小。

SYSWELD；固有应变；焊接方向；变形

0 前言

转向架是高速列车的关键部位，它对列车的安全起着至关重要的作用。焊接过程必然会引起构架变形，对构架造成不良的影响。列车在运行过程中由此引发一系列安全隐患问题，甚至产生严重的交通事故，造成人员伤亡和巨大的经济损失[1]，故对构架残余应力和变形进行研究具有重大意义。

小型构件焊接模拟一般采用热弹塑性理论。在大型构件的模拟中，有限元模型单元和节点数多，导致计算量过大，甚至计算不收敛。在这种情况下，本研究采用固有应变法对转向架横梁焊接变形进行数值模拟，即将瞬态热弹塑性分析转化为静态纯弹性力学问题，它可以大大减少模拟时间，并且结果具有一定的精确性[2]。

1 固有应变法

固有应变法是由日本学者上田幸雄等人提出的，包括塑性应变、热应变和相变应变，可以看成是焊接应力和应变产生的根本原因[3]。固有应变为

式中εp为塑性应变；εT为热应变；εx为相变应变。

在焊接过程中，热应变会随着焊接过程完成后温度的降低而消失。所以，焊接完成后的固有应变值为塑性应变和相变应变之和[4]。

2 模拟方案设计

转向架构架主要焊缝的分类如图1所示。G003为环焊缝，仅对构架G001和G002焊缝设计了三种

不同的焊接方向进行模拟，三种焊接方向分别如图2所示。

图1 主要焊缝分类Fig.1Classification of the main weld

图2 不同焊接方向Fig.2Different direction of welding

3 模型建立

构架由左右对称的两个侧梁和一个横梁焊接而成。构架的外表面有许多组装零部件，它们对构架整体的变形影响不大，且数量繁多，为减少计算量，提高计算效率，简化了构架表面，简化后的构架整体有限元模型如图3所示，在其表面取4个点。约束加载如图4所示。

图3 划分后的构架整体有限元模型Fig.3Frame finite element model

图4 构架约束的施加Fig.4Constraints of frame

模拟使用SYSWELD软件中Visual Mesh软件，对转向架构架模型进行了网格划分。为保证模拟结果的精确性和计算效率，网格划分时采用渐变网格的处理方法，由近缝区至母材区域网格由小变大、逐渐过渡。对构架相关构件和总体进行单元离散之后，构架有限元模型总共有226 915个实体单元，304 894个节点。

4 数值模拟及分析

在三种不同的焊接方向下进行焊接模拟计算，得到的构架均向以及x、y方向的焊接变形云图分别如图5～图7所示。

根据变形云图可知，不同方向下均向变形分布差别很小，主要分布在焊缝对接焊缝和U型焊缝的交叉区域。构架x、y方向上发生了收缩变形和弯曲变形。在三种方案下，构架的变形趋势一致，x方向最大变形位于横梁和侧梁的对接焊缝和U型焊缝交叉区域；y方向最大变形位于侧梁四个弹簧筒端部。节点1、4和节点2、3的x方向和y方向变形之和取平均值，得到构架在x、y方向的收缩变形；节点1、2和节点3、4的均向变形取平均值，得到横

梁x、y方向弯曲变形。三种方案下的变形、弯曲量如表1所示

图5 均向焊接变形云图Fig.5Structure of the welding deformation

图6 x方向焊接变形云图Fig.6x direction of welding deformation

图7 y方向焊接变形云图Fig.7 y direction of welding deformation

由表1可知，焊接方向对构架焊接变形的影响不大，最大的变化在y方向变化率只有2.82％。而焊接方向对构架的弯曲产生一定影响，x方向弯曲最大的为方向3，y方向弯曲最大的为方向1和方向3，其变化率为5.27％。综上分析，方向2的焊接方向较为合理。

5 结论

（1）采用固有应变法可以对大型构件进行焊接模拟。

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Numerical simulation of the bogie frame welding deformation based on inherent strain method

LIU Zan，CHEN Peng，LIANG Yong，FAN Xingwen，XU Ziwei
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

In this paper，conducted finite element analysis for the bogie frame in SYSWELD based on inherent strain method.Numerical simulation of the deformation of frame with three different welding direction，received frame every direction of welding deformation under each scheme.The results showthat the welding stimulation can be performed on the large components by using inherent strain method；the tendencyofdeformation under different direction is consistent，but in a different location，welding distortion is not the same.We can design the proper direction ofwelding，reduce the deformation and bending.

SYSWELD；inherent strain；welding direction；deformation

TG404

A

1001－2303（2016）09－0101-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.24

2015-11-18；

2016-06-15

刘赞（1991—），男，湖北咸宁人，在读硕士，主要从事焊接结构及数据模拟研究工作。