焊接数值模拟论文参考文献

摘 要：电阻点焊的组织决定焊接接头熔核的性能，熔核的性能决定焊接的质量。通过模拟 点焊接头的组织，可预测在不同点焊参数下接头的组织形态和力学性能等，从而实现通过寻 求最佳焊接工艺来改善焊件性能的目的。研究铝合金点焊相变组织的分布规律，对优化点焊 设计和工艺参数有重要的指导作用，本文通过应用有限元模拟软件进行数值模拟，对6082 铝合金电阻点焊过程中的组织转变进行模拟与研究，并通过实验进行验证，从而得出电阻点 焊对6082铝合金的组织转变的影响。试验验证表明，数值模拟与试验结果吻合良好，为铝合 金点焊基础理论研究提供了一种有效的分析手段。 关键词：数值模拟；金相组织 ；铝合金；电阻点焊 Abstract Te microstructure of resistance spot welding decide performance of nuclear fusion in welded joint, the performance of nuclear fusion decide welding quality. By simulation, we can predict microstructure and mechanical properties of spot welding in different parameters, so as to achieve the best welding performance by seeking to improve the welding processes. Research on the distribution of microstructure in aluminum spot welding, have an important role in on the design and optimization of process parameters of spot welding. The paper through the application of finite element simulation software to simulate and research the resistance spot welding of aluminum alloy of 6082, and verify it through experiments, so as to know affection resistance spot welding to aluminum alloy of 6082. Experiments show that numerical simulation and experimental results are consistent, providing an effective analysis for spot welding on aluminum alloy. Key words: Numerical simulation; Microstructure; Aluminum alloy; Resistance spot welding 1、铝合金在航空航天、船舶制造、机车和汽车制造业等领域获得了广泛的应用。轿车采用 铝合金制造车身较采用钢板制造车身可减轻车体重量6O%左右，能显著降低燃料消耗和减少 环境污染。但是，铝合金点焊所存在的问题限制了点焊在铝合金汽车生产中的应用，铝合金 点焊的熔核形状不规则，尺寸大小不一，熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气孔，由于冷 却速度较快，熔核的结晶组织主要是从熔合线向内生长的柱状晶。在这方面，吉林工业大学 的赵熹华等人通过采用熔核的孕育处理技术做了详细的研究，将柱状晶组织变为等轴晶组 织，取得了良好的效果[1]。但是，该技术如何工程化的问题还正在研究之中。如果能对点焊 的相变组织进行有限元模拟计算，得到铝合金点焊过程温度场和相变组织的分布规律，从微 观上改变焊接质量，对提高和稳定点焊质量具有重要意义。 铝合金点焊是一个高度非线性的力、热、电相耦合的复杂过程，随着焊接研究的深入， 温度，相变和热应力之间的耦合效应越来越受到人们的重视。 等人曾提出温度，相 变，热应力之间的耦合关系式， 等人利用该耦合模型对焊接接头进行了有限元计算。 Ronda 等[2]用统一的方法推导了相变规律和相变塑性，建立了相容的 TMM 模型，并形成了系 统理论。Yang 等[3]在热冶金耦合方面也作了深入的研究。他们在模拟温度场、速度场、热循 环以及熔池形状时,采用瞬时、3 维、湍流条件下的热传输和流体流动模型。 本文基于有限元专业焊接模拟软件动态模拟焊接的全过程，进行数值模拟时，考虑了材 料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响，实现温度场和应力应变 场的耦合计算，揭示了铝合金点焊过程温度场和相变组织的分布规律，其结果有助于更好地 了解焊接过程中熔体的运动状态、凝固组织细化和产生缺陷的原因,为正确选择点焊工艺参 数等提供理论指导。 2 点焊相变原理熔核、塑性环及其周围母材金属的一部分构成了点焊接头。在良好的点焊焊接循环条件 下，接头的形成过程是预压、通电加热和冷却结晶三个连续阶段所组成。 （1）预压阶段：在电极压力的作用下清除一部分接触表面的不平和氧化膜，形成物理触点，为焊接电 流的顺利通过及表面原子的键合作准备。（2）通电加热阶段：在热与机械力作用下形成塑性环、熔核，并 随着通电加热的进行而长大，直到获得需要的熔核尺寸。通电刚开始，由于边缘效应，使焊件接触面边缘 处温度首先升高，接着由于金属加热膨胀，接触面和电流场均扩展并伴有绕流现象，而靠近电极的焊接区 金属散热较有利，从而在焊接区内形成了回转双曲面的加热区，其周围产生了较大的塑性变形。随着通电 加热的持续，电极与工件接触表面增加，表面金属的冷却增强，而焊接区中心部位由于散热困难温度继续 升高，形成被塑性环包围的回转四方形液态熔核。继续延长通电时间，塑性环和熔核不断长大。当焊接温 度场进入准稳态时，最终获得椭圆形液态熔核，周围是将熔核紧紧包围的塑性环。（3）冷却结晶阶段：使 液态熔核在压力作用下冷却结晶。由于材质和焊接规范特征不同，熔核的凝固组织可有三种：柱状组织、 等轴组织、“柱状+等轴”组织。 由于点焊加热集中、温度分布陡、加热与冷却速度极快，若焊接参数选用不当，在结晶过程中会出现 裂纹、胡须、缩孔、结合线伸入等缺陷，可通过减慢冷却速度和段压力等措施来防止缺陷产生。 3 点焊熔核有限元仿真点焊是一个多因素及多重非线性的复杂问题。在进行数值模拟时，考虑其可作为轴对称问题，对等厚 板的焊接取l／4平面进行分析。为简化计算，本文假定电极压力恒定。 本文采用简化的轴对称2D模型建立6082铝板点焊的简化模型。出于简化模型的目的，假设上下两块铝 板在与电极端面直径对应的中心部分以及电极端面是粘连的，假设电极-工件间及工件间的接触行为属于无 滑动接触。焊接电流为恒流，材料的热物理性能随温度变化，忽略电流的趋表效应、接触面的热电效应和 接触热阻[4,5]。模型的网格采取自由划分，共含1996个固体单元，2120个节点。被连接材料为6082铝合金， 板厚 mm，采用Cu～Cr合金电极，端部直径6 mm，端部曲面半径40 mm。 材料属性 材料的热物理性能参数是温度的函数，在模拟中，材料的热物理性能除了密度和潜热外，其他如比热、 导热系数、电阻率等均随温度变化。材料在相变和熔化时存在潜热，模拟中将潜热在相变温度区间均匀折 算为比热容，以模拟其产热效果。 6082铝合金是Al-Mg-Si系铝合金，该合金的组织比较简单，主要合金元素为Mg、Si ,另外还有少量的Fe 、Zn 、Cu 、Mn，主要组织组成物为Mg2Si，Mg/Si比为，大部分合金不是含过量镁就是含过量的硅。当镁过量时，合金的抗蚀性好，但强度与成形性能低；当硅过量时，合金的强度高，但成形性能及焊 接性能较低，抗晶间腐蚀倾向稍好。 工艺参数 采用直流焊接电源，焊接电流为14 KA，电极压力为 KN，焊接时间为15个周波(相应频率50 Hz)。 具体方案见表1： 焊接温度场的模拟 焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力与变形计算以及焊接质量控制的前提，焊件在快速 加热和冷却过程中温度场的正确描述是进行组织转变和焊后接头力学性能分析的前提条件。焊接温度场的 准确计算必须建立起准确的热传递数学模型和符合焊接生产实际的物理模型，并应用有限元 软件的校正工 具，根据具体的焊接工艺和条件对热源进行校正；考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系，建立 了焊接过程的数学模型和物理模型[6,7]。 在焊接过程中，由热源传给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊接材料获得热能后， 热的传播则是以热传导为主。焊接传热过程中所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其随时间的温度变 化问题[8]。因此研究焊接温度场，是以热传导为主，适当地考虑辐射和对流作用。 焊件上某点瞬时的温度分布称为温度场，可以表示为： T  T ( X , Y , Z , t ) 式中 T 为焊件上某点的瞬时温度，(x , y , z)是某点的坐标，t是时间。 因此非线性瞬态热传导问题的控制方程可以表示为： 式中 c、ρ为材料的比热容、密度，T为温度场的分布函数，t为时间，kx , ky , kz分别为x , y , z方向 上的导热系数； Q是内热源。 温度场计算时, 将模型的对称面定义为绝热边 界条件, 即 其他周围表面定义为换热边界条件, 即 式中  是材料的热导率，n是边界表面外法线方向，α是表面换热系数，Ta是周围介质温度，Ts是物体表面 温度。 点焊相变组织的模拟 相变潜热 焊接过程中伴随着相的转变，在有限元计算中其产生的相变潜热以焓的形式表示[9]，即 式中  (T )c(T ) 分别为材料的密度和比热，均为温度的函数。 在某一温度增量区间，所产生的总的相变潜热表示为各相值的叠加，即 式中：Aj为第j 相的相变潜热，V j 为第j 相的转变体积比,且 å V j = 1 ；n是材料中相的个数。相的转变体积比,且 ；n是材料中相的个数。 相变模拟原理 对于铝合金的相变模拟，主要通过铝合金的回复与再结晶原理，如图1。如果材料有经过温度循环，当 最高温度高于重结晶温度时，重结晶开始发生并产生影响。材料重结晶的比例不仅取决于最高温度，也取 决于热循环过程。可以用如下公式来计算： 等温反应动力学： 非等温反应动力学附加规律： 模拟计算结果 温度场的模拟结果 如图 2 为焊接时间 250ms 时 l／4 平面所成的温度分布，再通过 sysweld 有限元软件，分别在熔核区 中心，熔合线，热影响区，母材组织上取四个固体单元，形成如图 3 所示的温度曲线。由图 2，3 可以看出 在焊接过程中，熔核中心的最高温度可达 720℃，且长时间温度维持在 700℃左右；熔合线附近可达 600℃， 也长时间维持在这个温度；热影响区最高温度可达 500℃左右；而母材最高温度只达到 300℃左右。 相变组织的模拟结果 通过有限元模拟可得到如图4所示结果，6082铝合金点焊结果会出现明显不同的三相分布分别为：母 材、热影响区和熔核区组织。 4 结果分析和讨论由模拟分析结果可以看出， 6082 铝合金点焊会出现比较明显的三种组织的分布，再根据模拟所用的 焊接参数进行试验验证，然后进行金相组织观察（试样用凯勒试剂浸蚀）。可以得到图 5－图 9 的微观组织 图。 由图 5 可见，6082 铝合金点焊组织有着明显的三个组织相分布，中间的小圆为熔核部分，外圆为热影 响区，外边即为母材，与模拟的相变结果（图 4 所示）完全相同。 铝合金的主要热处理方式是固溶处理和时效处理，通过第二相的沉淀硬化来提高强度、硬度等性能。 6082 铝合金为 T4 状态（固溶处理＋自然时效）是经固溶、时效后的合金，其主要强化相是 Mg2Si。在焊 接热循环的影响下，铝合金基体中的这些沉淀相粒子将发生再次固溶、析出和长大过程，对焊接前的基体 产生或多或少的破坏。它们的熔点为 595℃，焊接加热温度超过这一熔点时,部分强化相就会熔解[10]。 图 6 为母材组织，其铝合金基体上分布着粗大且呈长条形的析出相；图 7 为熔核中心组织，其内组织 主要为细小的等轴晶粒；图 8 为处于塑性环熔合线周围的组织，靠近熔合线的熔核区主要是柱状晶粒和部 分等轴晶粒，靠近熔合线的热影响区为粗大的晶粒；图 9 为热影响区中心组织，其铝合金基体上的析出相 细小且呈圆粒状。 从图 4 可以得知，在塑性环内的熔核区中心最高温度远远高于 595℃，可达 720℃左右，且比较长时间 的维持在 700℃，这个温度使熔核区中心的晶粒完全的熔化，在铝合金基体上的第二相重新熔化和固溶， 化合物因固溶而进一步减少。在铝合金基体上分布着弥散的，细小的第二相对晶界移动起着重要的阻碍作 用，第二相质点越细小，数量越多，则阻碍晶粒长大的能力越强，所形成的晶粒也就越细小，且在熔核区 内合金元素溶入的比较多，在很大程度上阻碍了晶界的移动，焊接为快速加热，金属内存在的晶格畸变现 象来不及回复，自扩散系数增加，使合金再结晶晶核增多，造成晶粒细小，所以在熔核中心冷却后形成的 组织为细小的等轴晶粒；由于点焊冷却速度较快，靠近熔合线的熔核区的结晶组织主要是从熔合线向内生 长的柱状晶。运用图 1 描述的铝合金重结晶现象可以发现，靠近塑性环的热影响区的晶粒处于长大阶段， 晶粒生长方向与热流方向一致，有着明显的粗大晶粒且在晶界上分布一些析出相，应为晶粒长大区；6082 合金母材组织为板材组织，其析出相方向与板材成形方向一致，也有少量析出相呈三角形，在晶界上析出， 由于其含有 Cu，Mg，Al，Si，Mn 等合金元素，析出相比较复杂，主要为 Mg2Si。图 6 中的母材组织为退 火组织，所以其部分析出相变的相对细小和一定的圆形状。对于热影响区，其析出相明显比母材组织细小， 且没有方向性，但已经开始出现圆粒状，分布也比母材组织均匀，但还是有一部分为粗大的析出相，且呈 长条形，没有完成再结晶，由图 1 铝合金重结晶原理可知其组织应为回复区和回复再结晶区，晶界基5 结 论1、本文采用数值仿真手段预测熔核的组织，运用sysweld的相变模拟原理，完成对6082铝合金点焊组织的 模拟和预测。 2、采用本文提出的有限元点焊模型，运用相变模拟软件，可以模拟出与实际焊接结果十分吻台的结果，因 此可作为选择和优化点焊参数的一个有效工具。 3、6082铝合金熔核区晶粒细小，组织分布均匀而且弥散，热影响区有着比较明显的回复区，回复与再结晶 区和晶粒长大区，母材组织为板材组织，晶粒方向为轧制方向，且铝基体上分布大量粗大的第二相质点。 4、点焊接头相变组织的模拟是一项新技术，它尚处于起步阶段，在理论上还存在着尚未澄清问题，另外在 计算方法上也有改进余地，其应用更接近空白，因此，有必要从理论和计算方法上进行系统而有深入的 探索，以使新兴方法尽快用于工程实践。 参考文献：赵熹华,姜以宏,薄件点焊熔核凝固组织分析，焊接学报，1994(2):89~93. Ronda J,O liver G J. Consistent Thermo-Mechano-Metallurgical Model of Welded Steel with Unified Approach to Derivation of Phase Evolution Laws and Transformation - Induced Plasticity. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering。2000, 189 (2) : 361～ 417. Yang Z, Elmer J W , Wong J. Evolution of Titanium Arc Weldment Macro and Microstructures- Modeling and Real Time Mapping of Phases。 Welding Journal, 1997, 76 (4) : 172～ 181. Matteo Palmonella, Michael I, Friswell, et al. Finite element models of spot welds in structural dynamics: review and updating[J]. Computers & Structures. 2005,3 (83): 648-661 . Deng X, Chen W, Shi G, et al. Three-dimensional finite element analysis of the mechanical behavior of spot welds[J]. Finite Elements in Analysis and Design. 2007,185( 1): p 160-165. Feulvarch E, Bergheau , Robin V, et al. Resistance spot welding simulation: a general finite element formulation of electrothermal contact conditions Source[J]. 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不锈钢点焊技术是是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,这是我为大家整理的不锈钢点焊技术论文，仅供参考!

不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺探讨

摘要：文章对不锈钢车体试制项目原有除黑工艺进行介绍，重点描述原工艺方法造成的缺陷;利用实验手段对原工艺方法造成的缺陷进行重现和分析，确定解决方案;对原有工艺进行改进，确定出一套完整的不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺规程。

关键词：不锈钢点焊;除黑工艺;不锈钢车体点焊;表面化学

中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2014)09-0047-02

上世纪60年代初，为了车辆的轻量化与免维修，日本对车辆结构使用不锈钢问题进行了研究分析。同时，研究了以点焊方法进行不锈钢结构制造，于1962年完成了除底架的一部分(端底架)之外，其他结构或外板等均采用不锈钢制造的东急电铁7000系，这就是当今称为全不锈钢车的首辆车。

不锈钢车辆的特征有：免维修、轻量化与车体结构的无涂装，但是这就对车体外板的表面状态提出了要求。电阻点焊结束后会在不锈钢外板表面造成黑色或淡黄色的氧化皮，严重影响车体美观，同时由于氧化导致基材结构发生改变，焊点位置可能会发生电化学腐蚀，因此需要对不锈钢外板表面焊点位置进行除黑处理。

1 电化学除黑基本原理

焊点位置的氧化皮即过烧现象主要是由于焊接时间太长、焊后冷却时间过短造成的。过高的温度导致在焊钳电极与外墙板接触位置发生氧化反应，形成一层黑色或淡黄色的氧化皮。

电化学除黑主要是利用电解池原理分解氧化皮来达到除黑效果，同时在表面形成一层钝化膜，起到美观、提升防腐性能的作用。

2 原有工艺介绍

设备介绍

由于电解池反应需要在通电形成闭合回路且有电解液存在的条件下才可进行，所以在实际操作中需要通过设备来满足这一要求。

现使用设备为进口除黑机，该设备由除黑机主体、接地线、电源线、电极棒、棉布及可适用不同部位的电极头组成，同时操作过程中，需要配合专用的清洗液和中和液使用。

原有工艺介绍

根据设备厂家培训内容，以及验证性实验确定了最初的工艺方法。主要对设备使用方法与输出电流强度进行要求，其他方面没有具体规范，处理效果一般。

3 原有工艺不足之处及改进方法

原有工艺不足之处

在按照原有工艺对第一个端墙进行除黑之后，发现除黑效果很不理想主要表现在以下几点：(1)部分焊点位置出现与原氧化皮不同色泽的黑色印记，继续重复除黑操作也无法清除;(2)部分焊点经过除黑操作后出现过蚀现象，与周围焊点色差较大，极不美观;(3)焊点位置周围出现大面积水印，反复清洗也无法清除;(4)整体清洁后将端墙板挂起远观，墙板光泽度不佳。

缺陷分析及改进方法

(1)布料的影响。经过反复实验，发现部分焊点位置出现的与原氧化皮不同色泽的黑色印记是由于裹在电极头上的布料过脏导致的。重复除黑操作无法清除，由于现阶段缺少实验设备，无法确定该黑色印记的组成以及表层是否还有其他膜，对于该缺陷，目前最有效的处理手段为物理打磨，但不锈钢外墙板为机械拉丝板，整体纹路一致，打磨后影响外观效果，因此目前对于该缺陷，最好的处理手段为经常更换裹电极头的布料，杜绝此缺陷的出现。

原电池反应需要在电解液环境中进行。除黑操作中的棉布就是电解液的载体，电解液过少导致被清除下来的氧化皮没有被完全分解而直接粘附在棉布表面，造成布料污染，棉布的吸水量是一定的。因此在不影响除黑效果的前提下尝试多层布料充分蘸取清洗液，经过多次实验，最终确定双层布料既可以保存足够量的清洗液又不影响除黑效果，同时要求经常观察布料污染情况，布料表面完全变黑后进行更换。

实验证明，通过这种方式可以有效杜绝黑色印记的出现。

(2)电流的影响。按照设备厂家的建议，在输出电流为7的情况下进行除黑作业，颜色较深的焊点位置清除效果比较理想，但是颜色较浅的部位清除结束后出现由于过蚀导致的焊点位置发白的现象，与周围焊点色差较大，极不美观。同时原操作方法中对电极棒与墙板的接触时间没有做具体规定，这也是造成这一现象的原因之一。

在实验过程中，将电流的输出强度调节为5，同时控制电极棒与墙板的接触时间在2秒以内。

实验证明，降低后的电流强度对除黑效果没有影响，同时不再出现过蚀现象。

(3)清洗液使用方法的影响。在原操作过程中，发现起初几个点的除黑效果很不好，在电极棒与墙板接触5秒以上才可完全去除氧化皮颜色，但接触时间过长又会出现过蚀现象，因此在实验过程中对于清洗液的使用方法进行着重研究。

在除黑作业中，由于通电，在操作时间过长的情况下电极棒会发热，造成布料上蘸取的清洗液蒸发过快，严重影响除黑效果。因此在实验中尝试让电极棒充分蘸取清洗液，然后进行除黑，除黑效果显著，但是由于清洗液蘸取过多，在墙板上接触面积过大，造成除黑后焊点周围有明显水印，与周围墙板色差过大，极不美观。

因此，最终调整操作方法为：将裹好布料的电极棒放入盛有清洗液的烧杯中充分浸润棉布，然后在烧杯壁沥干至不再滴水;对于一次清洁不彻底的焊点可以在重新蘸取清洗液后进行二次操作。

(4)中和液使用方法的影响。中和液的作用是清除残留的清洗液。残留中和液清洁不彻底会严重影响墙板的光泽度，原操作中使用的中和液为原液，由于浓度过高，造成残留中和液清洁困难，因此需降低中和液

浓度。

为了在中和液的使用浓度和清洗效果上找到一个平衡点，经过多次实验，最终确定了中和液：水=1：4的稀释比例;同时为了便于对残留中和液进行清洁，在操作过程中，在使用清洗液清洗后立即用蘸取稀释后的中和液的无纺布清洁残留的清洗液，然后用蘸取清水的无纺布擦掉残留的中和液;在整个墙板除黑操作结束后再用清水整体清洁墙板。

4 结语

在通过实验方法对缺陷进行分析后，最终确定出一套完整的除黑工艺。新的工艺中对电流强度、棉布用法、清洗液以及中和液的用法进行了重新规定。

按照新版工艺方法处理后的墙板整体光泽度良好，焊点位置无过蚀、水印、无法去除的黑色印记等缺陷，满足对除黑效果的要求。

参考文献

[1] 赵明花，刘玉民.城市轨道车辆不锈钢车体的研发

[J].城市轨道交通研究，2004，(1).

[2] 刘永刚，韩晓辉，马明菊，王素环.轨道车辆不锈

钢车体电阻点焊缺陷产生及预防工艺[J].点焊

机，2012，42(4).

[3] 张淼玲.原电池电解池的区别与判断[J].教育教

学论坛，2011年，(7).

作者简介：韩鹏程，男，天津北车轨道装备有限公司助理工程师，研究方向：轨道车辆涂装体系与涂装

不锈钢点焊结构车体FEA建模方法

摘要:针对不锈钢车体点焊结构的“点传力”特性,提出了位移主-从约束关系建模思想,并通过数值试验验证了采用位移主-从约束关系来模拟焊核比现有其它的模拟 方法 具有更高的精度.以城市轻轨动车组不锈钢点焊车体为 应用 对象,基于位移主-从约束关系建立了该车车体的有限元模型, 计算 结果与试验测试结果基本一致,证明了模型的正确性,为今后该类车型的设计与开发打下了良好的技术基础.

关键词:FEA,位移耦合,点焊结构

点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,分布于车身各部位,数量达上万个.点焊结构主要特点是:结构紧凑、重量轻、强度高、耐腐蚀.同时,它的制造工艺比较复杂,技术要求高,因此,尽管点焊结构车辆在国外已经获得了广泛应用,在国内则刚刚开始研制[1-2].如何把握点焊结构的力学特性,建立高精度的车体FEA计算模型已成为不锈钢点焊车研制过程中计算人员极为关注的 问题 .

当前点焊结构常采用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)来模拟焊核[3-4].从 理论 上说,点焊结构用适当高度的块体元模拟时,则可获得较高的精度,但对于大量均布、密集排列的焊点的不锈钢车体结构来说这将导致单元/结点数量急剧增加而不可行,因此,必须抓住不锈钢点焊车传力的主要特征创建FEA模型.

与车辆结构尺寸相比,点焊焊核自身的尺寸可以忽略不计,在有限元模型中,可以将它们视为仅是整体坐标系下的一个“点”,在外载荷作用下,结构依靠这些“点”传递内力,这类结构可称为“点传力结构”.基于位移主-从控制关系原理[5],本文认为对于不锈钢点焊车体这类典型的“点传力结构”,用位移的主-从约束关系来模拟焊核(即等价于在计算模型中被焊接连接的两点之间位移完全一致)是更为合理的,并通过数值试验证明了主-从约束关系比其它建模方法具有更高的精度.基于位移主-从约束关系建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型,根据相关标准进行加载计算,通过与物理试验的比较,验证了计算模型的合理性和有效性.

1 主-从控制关系的正则方程

主-从关系(位移耦合),指的是当一个结点被定义为另一个结点的从结点后,该从结点就失去了位移的独立性,它的位移只能且必须从属于主结点.主结点上的位移处理为独立位移,从结点上的位移为相关位移.

在应用最小总势能原理求基于位移法的结构正则方程时,相关位移对总势能的贡献是通过与之有关的独立位移和指定位移表达的.结构的总势能为

2 各种方法对比 分析

本文提出用位移主—从约束关系描写不锈钢点焊车体的点焊传力,这意味着模型中的每一点焊的焊核均被凝聚成一点,那么,这种简化与其它建模方法相比精度到底多高?以下用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)为点焊结构建模来讨论各种方法的精确性.

假设薄板A与B用点焊方式焊接,其厚度分别为t1与t2,t1薄板右端均匀作用有F吨拉力,t2薄板左端被约束住.焊核为三维椭球,其最大剖面的直径为d.在各方法的计算模型中,板的中心为焊点位置,也为坐标原点,梁单元的物理属性取决于板材,单元直径为d,单元长度为(t1+t2)/2;刚性单元,无物理属性,单元长度为(t1+t2)/2;实体单元物理属性取决于板材,单元尺寸取决于t1,t2;位移主-从约束不需要定义材料属性,只需指定六个自由度之间位移主-从约束关系.

以实体元计算结果为标准,t1薄板上载荷方向的应力误差比列入附表.表中方法1为采用梁单元;方法2为采用刚性单元;方法3为采用位移耦合.表中位置点1至点8依次为t1薄板上过原点与载荷方向一致的坐标轴上等距离的点;位置点9至点16依次为t1薄板上过原点与载荷方向垂直的坐标轴上等距离的点.表中应力误差比的定义为(σ-σ0)/σ0,其中σ0为实体元计算结果.由附表可以看出:位移主—从约束建模方法的误差较小,刚性单元和梁元的较大.

实体单元和位移耦合的两个模型沿外载荷方向的应力值比较如图1所示.结果表明:两种模型高应力区域一致;焊核附近,位移耦合模型的应力值要大于实体单元模型的,稍离开焊核,两种模型应力值几乎相同.

3 工程验证

城市轻轨动车组不锈钢点焊车体是典型的点传力结构,全部采用高强度车辆专用的冷弯或轧压工艺制造的不锈钢型材.除车顶、地板的波纹板之间的连接采用缝焊,其余板与梁、柱及部件与部件之间的连接均采用接触点焊.由于板薄,板与板、板与梁(柱)和柱与柱之间只能采用搭接接头,除2层、3层搭接外,最多还有5层板搭接.该不锈钢车体大约有4万个焊点,该车典型的焊接示意图如图2所示.

不锈钢点焊车体在承受外载后,载荷通过数万焊点将力传递到车体各部,并由此产生车体各处的变形与应力,这一特点,在建模时必须真实体现,否则, 计算 模型将会失真,并将导致计算结果失真.假定车体构件的每一“点对”之间,一旦形成点焊,尽管这一点焊事实上占有一很小的面积,但相对车体构件尺寸而言,有理由视这两点被“焊成一点”,因此,在变形的过程中,点焊可以用位移主—从关系来描述.

城市轻轨动车组不锈钢点焊车体有限元建模的关键 问题 是每一个焊点位置处必须要有结点生成.因此,在I-DEAS软件()中创建真实地反映不锈钢车体构件之间的相互关系的、用于划分有限元网格的三维几何时,根据点焊位置,要一一创建“锚点”[6],因为“锚点”一经生成,在随后的单元网格生成过程中,“锚点”将自动转化为单元的结点,这样就为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件.不锈钢点焊车体四分之一的局部放大网格如图3所示.四分之一模型的求解规模为:单元总数132309;节点总数134659;焊点数8824.

依据 文献 [7]进行加载计算,垂直总静载荷工况作用下车体和部件的应力云图如图4所示.该车FEA计算结果与强度试验测试结果[8]的对比如图5所示,由图5可以看出两者基本一致,因此,该计算模型质量很高.

事实上,正是由于该性能仿真模型的高可靠性,设计人员才有可能进行一次又一次的方案对比.而相对最优方案也正是在这种一次又一次对比中逐步形成的,其重要意义不言而喻.

5 结语

FEA的置信度关键在于计算模型的质量,而创建一个计算模型的必备条件是计算机、仿真软件和使用者.事实上,功能再好的仿真软件,速度再快的计算机,也只能辅助建模者提高建模的效率而不提供建模的原则与技巧,计算模型的质量主要还是取决于使用者的 理论 素养和建模经验.只有具有良好的理论素养和厚实的建模经验才能够很好地消化吸收仿真软件中的精髓,并将其融化在仿真模型的建立过程之中,使仿真模型合理和 科学 .

本文基于位移主-从约束关系(位移耦合)原理模拟不锈钢点焊车体的点焊,并利用I-DEAS仿真软件高级建模功能,建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型.通过FEA计算结果与物理试验结果的对比,证明本文的建模思想 方法 是切实可行的.

参考 文献:

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[5]钟万勰.计算结构力学微机程序设计[M].北京:水利电力出版社,1984.

[6]I-DEASMasterSeriesTMStudentGuide[M].StructuralDynamicsResearchCorporation,1998.

[7]JISE7105-1989.铁道车辆车体结构强度试验方法()[S].日本标准协会,1989.

[8]天津滨海快速轨道 交通 不锈钢车体静强度试验报告[R].青岛: 中国 北车集团四方车辆 研究 所,2003.