技术 | 不锈钢地铁车顶典型焊接接头有限元分析

随着经济的发展，地铁交通系统以其交通便捷性、准时性、载客量等优点在各大城市得到大力发展，对地铁车辆的需求越来越多。不锈钢以其良好的耐腐蚀性、轻量化、维护成本低、耐高温、环保等优点，广泛应用于地铁车辆的生产制造中不锈钢车体结构与传统碳钢车体、铝合金车体的差异较大，其成形焊接工艺也不同。

其中车顶作为车体重要的大型组成构件，与侧墙和底架相比，其结构复杂程度高，焊接接头形状复杂多样，导致焊接温度变化和应力分布情况复杂。不锈钢热导率低、线膨胀系数大，在焊接时容易产生较大的残余应力，而大量的残余应力对车顶强度和使用寿命等都有较大的影响。因此需要分析不锈钢车顶的各种焊接接头的应力，掌握接头残余应力分布。

本研究分析不锈钢地铁车顶结构的四种典型的焊接接头形式，利用大型有限元分析软件ABAQUS对四种典型接头焊接过程中和焊后的温度及应力进行求解，模拟研究不锈钢地铁车顶典型焊接接头的温度场、应力场的演化行为以及残余应力的分布规律，并进行相应的焊接试验。

2.1 焊接计算力学有限元模型

在不锈钢MAG焊过程中会发生非常复杂的温度变化、组织变化和应力变化。三者相互影响，共同决定了最终的焊接构件内部残余应力和变形的分布。针对不锈钢地铁车顶MAG焊焊接工艺实际，采用如图2所示的焊接计算模型。

该模型完全考虑了温度场和应力变形场之间的相互藕合作用，即不仅考虑了温度场以热应力的形式对应力场的影响，也考虑了应力场以做功和变形热的形式对温度场的影响。由于实际工艺所采用的不锈钢为低碳不锈钢，因此在模型中可以完全忽略显微组织变化对温度场和应力场的影响。

2.2 不锈钢地铁车顶典型焊接接头模型

(1）三维网格模型。

根据实际工艺参数，建立四种典型接头的几何模型，并进行相应的三维网格剖分，如图3所示。单元类型采用六面体一次单元，焊缝区网格适当加密以保证计算要求。

（2）材料热物性参数

由于实际焊接过程中不锈钢焊接接头需经历剧烈的高温热循环，因此建立有限元模型时必须输入不同温度下的材料热物性参数，如图4所示。

（3）热源模型的选取和边界条件的设置。在大量的不锈钢车顶典型焊接接头的仿真模拟中，准确、稳定、高效是热源模型选取的重要因素。经过实际计算，采用双椭球热源能够较广泛地适用于各类典型接头的MAG焊工艺，如图5所示。还以T型接头为例，展示了热学和力学边界条件的设置。

3.1温度场模拟结果和分析

典型接头之一的平板对接接头在焊接过程中的温度场分布和焊缝中心某点热循环曲线如图6所示。四种典型接头的熔池模拟结果如图7所示。平板对接接头的熔池模拟结果与实验结果对比如图8所示。其余三种典型接头的熔池模拟结果和实验结果对比如图9所示。

结果表明，基于热一力耦合分析的MAG焊接弹塑性有限元模型，在考虑计算参数随温度变化的情况下，计算得到的温度场结果与实验结果基本吻合。

3.2 应力场模拟结果和分析

四种典型接头的纵向残余应力分布云图如图10所示。纵向残余应力大致分为约束纵向拉应力区、焊缝纵向拉应力区和HAZ纵向压应力区，三类区域沿垂直焊缝方向依次分布。四种典型接头的横向残余应力分布云图如图11所示。

横向残余应力大致分为HAZ横向拉应力区和焊缝横向拉应力区，两类区域沿焊缝方向依次分布。不锈钢车顶典型焊接接头的横、纵向残余应力的总体分布规律基本相同:焊缝区存在较大的纵向拉应力，焊缝两端存在较大的横向压应力;热影响区存在较大的横向拉应力和纵向压应力。这有利于统一制定合理的焊接方案，减少控制车顶焊接残余应力的难度。

由上述分析可知，平板对接形式的应力分布是复杂接头应力分布的本质形式。对于T型接头和卷边接头，其底板平面内应力分布具有平板对接接头应力分布的形式。而竖板的应力分布出现了一些区别。卷边焊的竖板侧由于与底板相连，近焊缝区出现的残余应力较大，而T型接头竖板在焊前未与底板相连，残余应力较小。

3.3 平板对接接头残余应力 

平板对接形式是四种典型接头的残余应力分布的基本形式。典型对接接头横向残余应力分析如图12所示，结合对接接头的横向残余应力云图，详细分析平板对接形式的残余应力。

焊缝附近热影响区产生了较大的横向拉应力，达到250MPa，这是导致平板对接焊两边翘曲的重要原因。另一方面，焊缝中心区出现了较低的横向应力，约为50MPa。典型对接接头纵向残余应力如图13所示。

结合对接接头的纵向残余应力云图分析发现，焊缝附近热影响区存在纵向压应力，而焊缝中心区出现纵向拉应力，约为100MPa，焊缝的起止端则为纵向压应力，约为-50MPa。

1. 基于热一力耦合的热弹塑性理论，建立了不锈钢地铁车顶典型焊接接头物理场计算数学模型;并对四种典型接头进行仿真计算，得到熔池计算结果和应力场计算结果。

   
   

2. 对比数值模拟结果和实验结果可知，采用本研究建立的热力藕合计算模型对不锈钢地铁车顶典型焊接接头进行数值模拟，计算结果与实验结果吻合较好。

   
   

3. 对于不锈钢车顶典型焊接接头，横、纵向残余应力的总体分布规律基本相同:焊缝区存在较大的纵向拉应力，焊缝两端存在较大的横向压应力;热影响区存在较大的横向拉应力和纵向压应力。

   
   

4. 平板对接形式的应力分布是不锈钢车顶典型接头应力分布的本质形式。对于T型接头和卷边接头形式，竖板的应力分布不同。