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金属学报  2014, Vol. 50 Issue (8): 944-954    DOI: 10.11900/0412.1961.2013.00832
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CRH2A型动车组缓冲梁结构焊接残余应力的有限元模拟*
朱瑞栋1, 董文超1(), 林化强2, 陆善平1, 李殿中1
1 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室, 沈阳 110016
2 青岛四方机车车辆股份有限公司国家高速动车组总成工程技术研究中心, 青岛 266111
FINITE ELEMENT SIMULATION OF WELDING RESIDUAL STRESS FOR BUFFER BEAM OF CRH2A HIGH SPEED TRAIN
ZHU Ruidong1, DONG Wenchao1(), LIN Huaqiang2, LU Shanping1, LI Dianzhong1
1 Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of
Sciences, Shenyang 110016
2 National Engineering Research Center for High-speed EMU, CSR Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111
引用本文:

朱瑞栋, 董文超, 林化强, 陆善平, 李殿中. CRH2A型动车组缓冲梁结构焊接残余应力的有限元模拟*[J]. 金属学报, 2014, 50(8): 944-954.
Ruidong ZHU, Wenchao DONG, Huaqiang LIN, Shanping LU, Dianzhong LI. FINITE ELEMENT SIMULATION OF WELDING RESIDUAL STRESS FOR BUFFER BEAM OF CRH2A HIGH SPEED TRAIN[J]. Acta Metall Sin, 2014, 50(8): 944-954.

全文: PDF(3769 KB)   HTML
摘要: 

建立了缓冲梁结构焊接有限元模型, 利用有限元法分析了焊接残余应力分布规律. 结果表明: 应力模拟结果与采用压痕应变法实测结果吻合较好, 模型可靠; 缓冲梁下翼板边部和工艺孔区域存在较大且分布不均匀的焊接应力, 工件挂的焊接对下翼板边部应力分布影响较大; 采用A6N01铝合金代替A7N01铝合金作为母材可有效降低缓冲梁结构应力, 当角补板和缓冲梁整体成型时, 原焊缝附近的残余拉应力明显降低, 采用双人对称同时施焊能显著降低缓冲梁下翼板的残余拉应力.

关键词 CRH2A型动车组缓冲梁焊接结构残余应力有限元法数值模拟    
Abstract

A finite element model of the buffer beam is established and the distribution of the welding residual stress is investigated by the finite element method. The results show that the calculated stress agrees well with the measured stress by the indentation strain-gage method. There are large and nonuniform residual stresses in the edge of the bottom flange and the processing hole. The welding of the workpieces hanging has an important effect on the residual stresses of the bottom flange. The replacement of A7N01 aluminum alloy with A6N01 aluminum alloy as the base metal can effectively reduce the residual stresses of the buffer beam. When the reinforcement plate is integrally formed with the buffer beam, the residual tensile stresses near the original weld are reduced remarkably. Two welders operating simultaneously on the opposite welds can significantly reduce the residual tensile stresses of the bottom flange.

Key wordsCRH2A high speed train    buffer beam welded structure    residual stress    finite element method    numerical simulation
收稿日期: 2013-12-24     
ZTFLH:  TG404  
基金资助:* 国家自然科学基金项目51104142和青岛四方课题项目四合2011技开龚字第254号资助
作者简介: null

朱瑞栋, 男, 1988年生, 硕士生

图1  焊接热循环曲线测量点位置示意图
Process Welding speed / (mm·s-1) Current / A Voltage / V
HW1 8.6 222 24.5
HW2 7.0 196 24.6
表1  T型焊接接头焊接实验参数
图2  缓冲梁结构计算模型和网格划分示意图
图3  A7N01, A6N01和ER5356铝合金的热力学性能
图4  双椭球体热源模型示意图
图5  装夹条件设置
图6  不同焊接工艺参数下焊缝形貌和尺寸的模拟与实验结果的比较
图7  HW1和HW2焊接工艺下试板表面CH1, CH2和CH3点焊接热循环曲线模拟结果与实验结果对比
图8  缓冲梁结构焊接残余应力分布
Process Qf / (W·mm-3) Qr / (W·mm-3) af / mm ar / mm b / mm c / mm Q / W
HW1 14.3 17.2 3 5 4 8 5040
HW2 9.7 14.6 4 6 4 5 4767
表2  拟合的双椭球热源模型参数
图9  工件挂未焊前, 缓冲梁结构焊接残余应力分布
图10  三位角侧和四位角侧残余应力测试位置示意图
图11  缓冲梁下翼板横向和纵向残余应力模拟结果和实测结果对比
图12  残余应力计算结果提取位置示意图
图13  不同焊接结构下沿路径a的横向和纵向的残余应力分布
图14  不同焊接结构下沿路径b的横向和纵向的残余应力分布
图15  不同焊接结构下沿路径c的横向残余应力
图16  不同焊接顺序下沿路径a的横向和纵向的残余应力分布
图17  不同焊接顺序下沿路径b的横向和纵向的残余应力分布
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