某地铁车辆弓网监测支架焊接变形仿真分析与工艺优化攻略

近年来，我国地铁行业高速发展，各大中城市积极发展轨道交通来缓解日渐增大地面交通压力，方便市民出行。而在地铁行业中，地铁车体的制造也是保障地铁安全运营的重要环节。目前的铝合金车体主要是由型材拼接而成，通过焊接的方法将型材相互连接。

由于焊接过程中存在不均匀的温度变化，在焊接结束后，被焊结构会出现一定的变形。在地铁车体的制造及使用过程中，结构的变形会使装配出现困难，并影响装配精度，进而影响车体的使用性能。

仅采用实验的方法对结构的焊接变形进行预测存在一定的困难，而对列车车体部件这样的大型结构进行实验需要消耗大量的人力物力。结合数值模拟的方法对结构焊接变形情况进行预测，可以较好地解决这一问题。

二、现状分析

某地铁车辆为全焊接铝合金车。在该车辆的车顶上，单独增设弓网检测模块，用以安装摄像头等设备以检测在车辆运行过程中受电弓等设备的运行状态。因此相应在车顶焊接中，需要弓网检测模块焊接到车顶上。如图1所示：

图1 结构示意图

该弓网检测模块为铝合金材料，整体呈带底口字型，焊接位置为顶部开口位置，在与车顶连接正面为满焊，如图2，图3，图4所示。由于此安装模块用于安装电子仪器，需要考虑不同焊接工艺对弓网检测模块的变形影响。

图4 焊接方法示意图

三、有限元模型

本文研究的结构采用6N01-T5铝合金制成，在温度场计算时，考虑了材料的导热系数、比热容随温度的变化，如图7所示。并考虑了熔化潜热的影响，熔化潜热为389KJ/Kg。在焊接温度场模拟这样的热过程分析中，换热作用也会造成一定的影响，本文考虑了结构相对于25℃的环境的热辐射和热对流，将之统一为材料的换热系数，如图8所示。

图7 热物理性能参数随时间变化

图8 等效换热系数随温度变化曲线

在力学分析模型中，设定材料为各项同性的均匀弹塑性材料，塑性屈服遵循Mises准则，弹性模量、线膨胀系数、泊松比等均设定为温度的函数，如图9所示。同时参考了前期完成的6N01-T5铝合金屈服强度模型，该模型考虑了材料屈服强度依赖于温度及温度历史变化进行变化，如图10所示。

图9 力学性能参数随温度变化

图10 屈服强度随温度历史变化曲线

五、热源模型

由于涉及到多次热源坐标45°转换以满足焊枪姿态，为了简化子程序编译，选用球行热源：

ff=1

热源熔池校核情况如图11所示

图11 熔池校核

如图11，材料的熔点温度约650℃，整体焊接熔池形态符合实际，焊接热源的等效选择可以应用于仿真分析。

六、焊接路径定义

根据工艺方案，此焊缝的焊接共有两种方案，一种是分为四部分焊接，另外一种是采取先焊接直线段，在焊接曲线的的方法。

图12 焊接路径1

在处理多道焊的焊接路径规划时，存在多种方法，本文采用通过控制每条焊缝的起始坐标和开始与结束时间，然后用总时间步进行if判断的方式实现，此方法的优点在于不需要设置复杂的分析步，也较为准确。主要的焊接路线仿真云图如图14，图15所示：

图14 焊接路径1云图

图15 焊接路径2云图

七、结果分析

由于最主要关注的是弓网安装座的平面度，所以单独提取弓网安装座的变形，如下图所示

图16 工况1 支架平面-Umag

图17 工况2 支架平面-Umag

图18 工况1 支架平面-U3

八、写在最后

借助abaqus软件工具，可以实现对车辆结构部件的焊接变形仿真，对实际的工作具有较大的参考意义。在对待多焊缝，且焊缝较为复杂的情况下，采用球形热源能够大大简化子程序设计。在多道焊的焊接路径定义过程中，用通过控制每条焊缝的起始坐标和开始与结束时间，然后用总时间步进行if判断的方式来实现。从仿真结果来看，取得了预期的效果，采用先直线段再圆弧底的焊接方式，虽然增加了焊接道数，但是对控制焊接变形来说，起到了积极的效果。

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