摘要：铁路货车车顶是由薄板构件组装而成的，在焊接过程中由于焊缝处收缩力的作用导致不可避免的产生变形，过大的变形量不但影响车顶结构的外形美观，而且影响了货车的产品质量。本文是基于固有应变法原理，对棚车车顶整体构件进行焊接变形的数值仿真分析，得出棚顶的焊接变形趋势情况，为控制工件焊接变形和实际生产提供技术理论依据。
关键词：固有应变法；焊接构件；变形
在实际生产前,通过仿真软件对大型结构件进行快速高效的焊接仿真模拟,可以在生产前提供理论指导，能够节省焊接变形后矫正的处理时间，也有利于工程师对工艺进行合理规划和设计，以满足结构设计对变形、应力公差要求。固有应变法，是发展比较快的一种数值处理方法，尤其在焊接工艺仿真中已得到广泛应用。
1.基本理论
基于固有应变理论的有限元法是一种既适合于大型复杂结构，又比较经济的焊接变形预测方法，所谓固有应变，简单地可以理解为，经过热循环后残留在物体中的引起物体残余应力和变形的应变，也有的学者称它为残余塑变，它是物体产生应力和变形的根源。当构件受到不均匀加热时，如果构件尚未产生塑性变形，那么固有应变实际上就是热应变。如果受不均匀加热后构件中产生塑性应变，则固有应变将是热应变和塑性应变的综合。在焊接过程中，如不考虑其他影响，固有应变将是塑性应变εp、热应变εT和相变应变εX三者之和，即
ε*=εp+εT+εX
如果知道了固有应变的大小，把它作为初始应变置于焊缝及其附近，就可以通过一次弹性有限元分析求得整个构件的焊接变形。
2几何模型简化和网格模型的建立
2.1几何模型简化
车顶结构主要是由顶板、车顶弯梁、车顶侧梁、车顶端板、端弯梁以及附属件焊接而成，整体较为复杂。根据车顶整体结构特点，进行如下简化处理：车顶整体结构基本对称，垫板、扶手等小附属件虽然与顶板间存在焊缝，相对于整体结构而言焊接量忽略后不会对模拟效果产生大影响可以忽略，经过以上简化，建立车顶焊接分析的有限元实体几何模型。
2.2网格模型的建立
采用Visualweld软件建立网格，划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，在有限元分析中，网格的划分直接关系到计算的精度和效率。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑，因此应根据温度梯度变化情况采取适当的设置，即在焊缝及其附近区域用较细的网格以提高计算精度，远离焊缝区域用较稀疏的网格以减小运算规模、节约计算时间。在此次焊接仿真分析计算中使用体网格（六面体\五面体）进行计算，焊缝区域使用六面体较细密网格，非焊缝区域使用粗大网格，网格单元个数776756，节点数1123895，网格模型见图1。
3对比试验
为验证模拟结果的可靠性，在对车顶进行模拟分析前，本文做了验证试验，通过测量对应点的变形量对比模拟结果与实测结果，得出的变形量对比图如图2所示。
图1工件网格模型
由图2可知，试验所得焊接变形规律与模拟所得规律相似，考虑到数值模拟计算所涉及的参数条件均为理想状态下得到的结果会与试验结果产生一定的偏差，而实验与模拟所得焊接变形分布规律和变化趋势较为吻合，表明采用固有应变发对焊接变形模拟研究准确度较高，其模拟结果可用于焊接生产的指导及工艺改进。
图2焊缝测试结果与模拟结果对比图
4计算结果及分析
4.1模拟参数设置
4.1.1约束设置
在实际焊接过程中车顶是处于自由的状态，在选取焊接约束情况的时候，为了保证计算收敛，清楚的看到车顶的焊接变形方向，选取车棚顶中心端的三个点进行X、Y、Z三个方向的全约束，认为是固定该构件的最小约束。
4.1.2焊接顺序设置
根据实际生产工艺，车顶采用MAG方式焊接，焊接电流250A、焊接电压28V，焊接速度920mm/min，总体焊接顺序为先顶板与弯梁正面的角焊缝，焊接顶板与侧梁正面角焊缝，最后焊接背面焊缝，焊接方向采用从中心向两端方式焊接。
4.2仿真分析结果
焊接结束后整个车顶冷却到室温后变形分布如下图所示，其中a为X方向变形云图，b为Y方向变形云图，c为Z方向变形云图，d为整体变形云图，亮色线条为原始模型框线。
通过仿真分析结果，我们可以看到车顶在水平（X、Z）方向上变形较小，在垂直（Y）方向上变形量较大，车顶整体焊接后变形集中在车顶的两端，呈上翘趋势，红色高亮区域为最大变形区域变形量达到139.8mm。变形最为严重的区域主要集中在车顶端部，这主要是由于车顶为薄板焊接结构，整体刚度较小，焊接量主要集中在正面且没有采取刚性固定措施，因而呈现出较大变形。
对于车顶而言在实际生产过程中，如果不使用或者较少使用压紧将导致较大的焊接变形。因此，在后续实际生产过程中，可根据模拟结果使用工装进行夹持或预制一定的反变形，达到减小构件焊接变形的目的。
aX方向的变形
bY方向的变形 cZ方向的变形 d整体变形
图3焊后变形云图
5结论
1建立了货车车顶焊接有限元数值分析模型，基于Weld-planner焊接仿真分析软件实现了大结构、多焊缝部件的焊接模拟。
2通过对车顶的焊接工艺仿真计算，为焊接生产中施加夹持条件及反变形设计提供了理论数据，同时为工件实际焊接生产提供了重要的理论参考依据。
参考文献
[1]陈丙森.计算机辅助焊接技术.[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2]武传松.焊接热过程与熔池形态[M].北京：机械工业出版社，2008.
论文作者:黄凤龙,赵娇玉,黄君辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：车顶论文; 应变论文; 网格论文; 构件论文; 模型论文; 方向论文; 云图论文; 《基层建设》2019年第2期论文;