0 前言

城轨车顶属于薄板构件长程焊接结构，其变形是影响车体整体服役性能的关键因素[1-2]。对大型车顶构件进行全面的变形测量难度大、成本高，且需要在焊后实施，无法对工艺进行改进。同时，车顶选用不锈钢作为主体材料，因不锈钢线膨胀系数大、导热系数小，易出现难以控制的焊接变形，降低焊接接头质量[3-5]。采用数值模拟的方式对变形进行预测，进而优化焊接工艺，成为目前焊接大型车顶结构件控制变形的主要手段，也是目前国内外学者关注的一大研究热点[6-8]。因此，通过数值模拟的方法，探索不锈钢车顶骨架结构焊接变形规律，并且与实际焊接效果进行对比，分析模拟变形预测的精度。

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1 固有应变模型的建立

1.1 固有应变网格

出口某国的地铁3号线车顶结构尺寸为21.60 m×2.76 m×0.55 m，车体材料为X2CrNiN18-7不锈钢。采用Hypermesh网格划分工具对结构进行网格划分，图1为车顶整体结构网格剖分示意图，网格总单元数为94 734，节点数136 786。采用过渡型网格剖分方法，使焊缝区的小尺寸网格与远离焊缝区的大尺寸网格之间实现平滑过渡。

  

图1 车顶结构网格部分

1.2 边界条件

根据车顶焊接过程中的实际装夹位置，在Weld Planner软件中设置相应的夹持，如图2所示，图中边梁处标出的位置即为设置的约束。

采用常用的热边界条件设置方法，构件同空气接触界面为热对流界面条件，单元之间采用热传导界面条件。利用自编程的固有应变求解器Weld Planner进行求解计算。

  

图2 力边界条件设置

2 变形测量方法

图4为焊接结束撤掉装夹后的总体变形模拟结果，红色区域代表变形较大，蓝色区域代表变形较小。从图4可以看出，受焊接影响，车顶骨架结构两端出现了较大的变形，主要是由于焊接热输入积累效应的影响。

  

图3 变形测量示意图

3 结果与分析

该地铁选用KmpArc-450 脉冲焊机实施MIG焊焊接工艺。根据对地铁车顶结构的分析可以看出，车顶的结构尺寸较大，几何形状复杂。同时，考虑到车间生产线实际情况，测量环境也十分复杂，对测量设备的要求较高。综合各种因素，测量设备采用三维光栅式测量仪，测量示意如图3所示。

对变形结果进行10倍放大，模拟结果与原有基准模型的对照如图5所示。其中，彩色部分为原有模型，灰色部分为放大10倍后的模拟结果。通过图5可以直观看出车顶焊后变形效果及程度，此种变形对后续的装配会产生影响。根据现有的矫形工艺对车顶结构两端采用机械矫形，导致整体结构存在一定的装配残余应力。

  

图4 车顶结构总变形云图

  

图5 车顶骨架结构变形放大效果图

由于车顶构件为轴对称的框型结构，其纵向方向统计实际变形的测量结果，如图6所示。将焊接过程分为4个阶段，即自由变形阶段、焊前装夹后阶段、焊后装夹释放前阶段、焊后装夹释放后阶段。由图6可以看出，自由变形阶段下的边梁处于中间拱起两端下沉的情况，最大变形量约为20 mm，这是车顶结构在重力的影响下发生的自然变形。从焊前装夹后阶段的变形曲线可以看出，边梁整体上变形不大，基本处于直线状态，变形幅度在0～20 mm之间。由此可知，在进行装夹后，车顶结构受重力影响的程度得到改善。焊后装夹释放前阶段存在中间凸起两端下沉的变形趋势，最大变形超过50 mm，且具有明显的方向性特征，可以认为随着焊接过程的进行，热变形不断积累，造成构件端部变形严重。焊后装夹释放后阶段仍然是中间凸起两端下沉的变形趋势，最大变形量超过30 mm，是由于装夹去除后构件变形有所回弹。由此可以看出，焊接过程中装夹对变形影响巨大，焊接将使得顶部骨架存在向上挠曲的趋势，一旦装夹释放，将产生明显的变形。综合总体变形趋势可以看出，不同阶段变形对总体变形影响不同。

车顶构件的横向变形虽然较小，但也是很重要的变形方向，其横向总体模拟结果与实测结果进行比较，其结果见表1。表1中所示各截面位置如图7所示。从模拟结果可得到各截面变形量，5号截面为-3.4 mm，7号截面为-0.6 mm，10号截面为-2.0 mm。与实测结果相比，5号截面的变形量为-4.4 mm，绝对误差为1 mm，相对误差为22.7%；7号截面的变形量为-0.7 mm，绝对误差为0.1 mm，相对误差为14.3%；10号截面的变形量为-2.6 mm，绝对误差为0.6 mm，相对误差为23.1%。可以看出，模拟结果与试验实测结果的误差约为20%，可以较好的反映变形趋势，对于此类超长超大构件的变形预测来说，精度已能满足要求。

  

图6 车顶变形过程测量结果

2月11日，浙江吉利控股集团与浙江省湖州市长兴县人民政府签订战略合作协议以及《吉利新能源汽车项目投资协议》。该项目总投资326亿元，含整车生产基地、变速器生产基地、汽配产业园以及总部楼宇等内容，计划分两期建设，一期预计2018年10月底前开工建设。此次，浙江吉利控股集团计划在长兴投资建设全新的全球化小型车新能源模块平台，包括了混合动力、插电式混合动力等新能源动力系统。其中有224亿元的投资，用于打造年产30万辆新能源汽车工厂项目，另外102亿元投资，用于实现年产60万台的变速器流水线 项目。

 

表1 焊接前后车顶宽度的横向变形量(mm)

  

截面编号标准车宽焊前车宽焊后车宽变形量d52 180.72 182.42 178.0-4.472 180.72 185.02 184.3-0.7102 180.72 184.22 181.6-2.6

  

图7 变形测量各截面示意图

4 结论

(1)建立了总长超过20 m的超长轨道车体焊接固有应变模型，实现了超长不锈钢车体的焊接过程模拟仿真，预测了车顶构件的整体变形。并且，实现了自由变形阶段、焊前装夹后阶段、焊后装夹释放前阶段、焊后装夹释放后阶段的变形测量，发现在焊后装夹释放前阶段和焊后装夹释放后阶段产生了较大的变形。

(2)通过三维光栅式测量仪对超长车体变形进行实测。从实测结果可以看出，车顶构件特征截面位置的横向变形变化不大，最大变形量仅为4.4 mm。模拟结果与实测结果相比较，其误差约20%。

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参考文献

[1] 韩晓辉. 高速铁路列车铝合金车体焊接缺陷分析及工艺研究[J]. 焊接技术,2009,38(3): 31-33.

[2] 都本刚. 城轨车用不锈钢薄板焊接工艺研究[D]. 大连:大连交通大学,2007.

[3] 龚明. 城市轨道车辆不锈钢车体结构优化研究[D]. 北京:北京交通大学,2010.

[4] 李刚卿,邢立伟,郑浩敏，等. 高速列车制造焊接技术应用展望[J]. 焊接,2011(5):14-19.

[5] 王元良,骆德阳,王一戎，等. 高速列车的焊接[J]. 电焊机,2008,38(8):8-12.

[6] 袁永文. 高速列车铝合金车体关键部位焊接数值仿真[D].大连:大连交通大学,2014.

[7] 杨建国,周号,雷靖，等. 焊接应力与变形数值模拟领域的若干关键问题[J]. 焊接,2014(3):8-17.

[8] 钟志勇,傅卫,顾轶蓉，等. 大型框架结构堆焊过程的动态应力及残余应力分析[J]. 焊接学报,2010,31(6):93-96.