B型地铁不同结构隔板侧梁内外立板与下盖板焊缝残余应力仿真分析

卢峰华，段泽斌，姜 斌，刘 阳，于云海

（中车唐山机车车辆有限公司，河北唐山063035）

0 前言

目前城市轨道交通列车主要是A型地铁与B型地铁，就列车质量而言，两种车型没有任何区别，但是从造价角度考虑，B型地铁比A型地铁减少近50%。因此，B型地铁是国内主流的地铁机车车型[1-2]。

B型地铁转向架构架侧梁是由S355钢板焊接而成的空心箱型梁结构，如图1所示，为中部下凹鱼腹形梁。侧梁主要由上、下盖板、内、外立板、内部隔板和导柱组成。目前，B型地铁构架侧梁内部隔板采用带孔的结构形式，此种结构符合标准EN15085-3中7.3.7和EN15085-2中3.1.1相关要求，避免了侧梁底板和内、外立板内部长焊缝与隔板焊接角焊缝的交叉。而高速动车组CRH380采用不带孔的方形隔板，即长焊缝和隔板角焊缝存在交叉，此种结构不符合EN15085标准相关要求，但便于实现自动焊接，提高工作效率和经济效益[3]。

本研究采用Sysweld软件对内外立板与下盖板焊缝残余应力进行仿真模拟[4-5]，研究B型地铁构架侧梁隔板不同结构（有孔、无孔）的，内、外立板与下盖板焊缝残余应力情况，通过对比分析，提出结构设计建议，为提高工艺稳定性、实现B型地铁构架侧梁内部机械焊接提供依据。

图1 B型地铁转向架构架侧梁

1 不同结构隔板侧梁模型

1.1 侧梁三维几何模型

有孔隔板结构模型如图2所示。在每个隔板上开2个1/4圆孔，可避免侧梁底板和内、外立板之间长焊缝与隔板角焊缝的交叉，从焊接结构学的角度考虑，能够减少应力集中，释放部分焊接残余应力。无孔隔板结构形式是仿照高速动车组CRH380转向架构架侧梁设计的。下盖板、内、外立板与隔板两两垂直，便于实现自动化焊接。

图2 B型地铁侧梁有孔与无孔结构几何模型

1.2 不同结构隔板侧梁网格模型

将有孔、无孔两种隔板结构侧梁模型导入网格划分软件Hypermesh中进行网格划分，建立侧梁内部焊缝的有限元网格模型。

为使得两种形式的侧梁焊接应力分析结果的精度一致，划分有孔结构网格模型单元总数103329，节点总数138 477，如图3a所示；无孔结构网格模型单元总数105 883，节点总数139 261，如图3b所示。

图3 侧梁有孔和无孔结构网格模型

2 仿真模拟条件及理论分析

2.1 约束条件

设置约束条件是为了保持构架结构的静定。通过分析现有B型地铁侧梁焊接变位机装夹工装（见图4），得到装夹定位点处的各方向约束情况，完全按照焊接工装上的位置施加相应方向的约束，尽可能与实际工装约束一致[6]。

图4 构架侧梁实际工装约束

2.2 焊接顺序

合理的焊接顺序有利于降低焊接应力和变形[7]。以无孔结构为例，焊接顺序规定如图5所示。确定B型地铁构架侧梁的焊接顺序同时对其进行编号，便于描述每条焊缝引起的焊接残余应力。

图5 焊缝顺序示意

2.3 残余应力和变形的分析理论

焊接过程通常会经历加热、冷却两个阶段。在焊接时焊缝上存在固相区、液相区和固液相共存区3个区域。一般固液相共存区存在时间很短，通常不作考虑。而固相区的应力、应变遵从热—弹塑性理论。

2.3.1 材料屈服判定

Sysweld有限元分析采用米塞斯（Von Mises）屈服准则。通过材料拉伸试验确定临界点，形状变化达到临界点时，材料开始屈服。

在三维主应力空间，Von Mises屈服准则表示为

式中 σ1、σ2、σ3分别为3个正交方向的主应力（单位：MPa）；σs为单向拉伸时的屈服极限（单位：MPa）。

2.3.2 熔融状态的流动判定

处于屈服状态的材料在加载条件下会发生塑性流动。流动准则记述了产生屈服时塑性应变的方向。塑性应变增量和应力状态流动准则如下

该准则可以解释为塑性应变增量向量的方向与屈服曲面的法向相同，故又称作法向流动准则。进而对焊缝进行理论推导，为热力学加载提供可靠依据。

3 仿真模拟结果与分析

3.1 不同结构隔板侧梁仿真模拟

两种结构整体Von-Mises残余应力云图如图6、图7所示。其中，有孔结构侧梁残余应力最大值为453.025 MPa，位于内立板母材处；无孔结构侧梁残余应力最大值为449.984 MPa，位于内立板母材处。二者峰值相差不大，且结构整体表现出对称性。

图6 有孔结构残余应力云图

3.2 两种结构内、外立板与下盖板长焊缝残余应力对比分析

B型地铁侧梁各部件说明如图8所示。由于整体结构焊缝不仅是直线焊缝，因此利用数学上无限分割、化曲为直的方法将曲线部分等分进行计算。

两种结构的内立板及外立板与下盖板长焊缝内立板上焊趾处残余应力曲线如图9、图10所示。对比发现，稳弧阶段的残余应力数值整体趋于稳定，变化幅度不大。

图7 无孔结构残余应力云图

由图9、图10可知，两种结构位于导柱与隔板12之间的长焊缝残余应力数值差异不大，差值在50 MPa以内，图中纵虚线位于起弧、收弧阶段，由于有孔结构能够避免三交叉焊缝从而释放掉部分残余应力，导致有孔结构的残余应力比无孔结构降低30%～50%；考虑到焊接顺序影响，两种结构位于隔板1与导柱之间的长焊缝残余应力数值此消彼长、交替变化，残余应力差值最大达150 MPa，由于有孔结构能够避免三交叉焊缝而释放掉部分残余应力，导致有孔结构的残余应力与无孔结构大小相当。

图8 B型地铁侧梁零部件说明

两种结构的内立板及外立板与下盖板长焊缝焊根处残余应力曲线如图11、图12所示。对比发现：两种结构位于导柱与隔板12之间的长焊缝残余应力数值趋于一致，残余应力差值在30MPa以内，差值小于内、外立板上焊趾处残余应力；考虑到焊接顺序影响，两种结构位于隔板1与导柱之间的长焊缝残余应力数值此消彼长、交替变化，变化规律与上述内、外立板上焊趾残余应力分布相似，两种结构残余应力差值最大达180 MPa，图中纵虚线位于起弧、收弧阶段，有孔结构的残余应力与无孔结构大小相当。

图9 内立板与下盖板长焊缝内立板上焊趾残余应力

图10 外立板与下盖板长焊缝外立板上焊趾残余应力

图11 内立板与下盖板长焊缝焊根残余应力

图12 外立板与下盖板长焊缝焊根残余应力

4 结论

通过对B型地铁转向架构架侧梁内部焊缝进行仿真模拟，得出有孔、无孔两种不同隔板结构形式下焊接残余应力的分布情况，比较得出结论：

（1）建立了B型地铁转向架构架侧梁应力场的有限元分析模型，基于Sysweld软件平台实现了大结构多焊缝部件的焊接模拟。

（2）有孔结构使得隔板与下盖板，内、外立板之间产生间隙，形成自由边界，一般当内应力方向垂直于材料边界时，则在该边界处与边界垂直的应力值必然为零。因此，该方向残余应力值0 MPa使得整体等效Von-Mises应力降低。

（3）有孔结构符合标准EN15085相关要求，无孔结构不符合EN15085相关标准，但仿真分析得出结论：无孔结构可以代替有孔结构实现自动焊接，提高工作效率和经济效益。