淺談某型號叉車車架焊接變形場數值模擬研究

林秀菊

摘 要：要想提高產品精準度，縮小生產成本必須合理把握好叉車車架焊接結構的焊接變形?，F階段，火焰加熱矯正和變形矯正便是叉車車架焊接變形最常見的手法，這增加了成本費用，而且延長了制作周期。車架焊接結構流程復雜，需要通過工藝生產試驗來不斷優化和改造技術，這是一項十分耗時、耗力的工程，檢測大型機構尺寸也是一個特別復雜的事情。因此，可以對某型叉車結構劃分有限元網絡，移動串熱源移動模型模擬焊接熱場。本文主要研究了某型號叉車車架焊接變形場數值。

關鍵詞：叉車車架;焊接變形;數值;模擬研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.005

1 叉車車架焊接變形的發展歷程

整個車型框架結構設計的完整性、制造工藝的合理性和使用結構的可靠性均受叉車車輛焊接構架的焊接變形力度?，F階段整體退火和矯正變形是避免制造焊接構架時的焊接變形。為了縮短生產時間、降低生產成本，可以使用數值方法模擬焊接構架的焊接過程，優化其焊接步驟，針對不同的方法，選定合適的焊接順序，焊接試驗充分考慮到樣機，準確計算其結果。認識其基本變化規律，便能科學制定焊接工藝，提高焊接水平。

丹麥人于1962年使用網絡技術采用有限差分法傳熱計算鑄件凝固過程，更多的國家于70年代進入研究行列，實現從逐步鑄造到鍛壓、熱處理、焊接的過程，我國焊接界模擬數值興起于80年代初，越來越多的個人和科研單位投入到這項項目研究中，并取得了不錯的進展。

孫凱使用ESI公司專用焊接軟件SYSWELD實現K7轉向副構架，具體分析各項數值，實現從K7向架副構架三維幾何模型的轉變，將網絡模型區分開來，配備好熱源參數。具體生產經營過程中，可以模擬使用四種焊接方法，比對各項實驗數據，其焊接工藝便能實現實驗吻和和焊接殘余力的相互融合。譚兵可以使用SYSWELD焊接軟件夾持5mm厚度的L型鋁合金角皆接頭激光—模擬MIG復合熱源焊接變形，比較實際的焊接結果。實驗結果證明：要想模擬L形角接接頭激光可以使用MIG復合焊，實際變形和模擬結構偏差數值為10%，室溫時可以卸下焊縫冷卻和夾持近焊縫處，這樣便于控制L形鋁合金激光結構—MIG焊接復合變形。

2 焊接熱變形場數字模擬

2.1 數字模型簡化與網格劃分

叉車設計部門繪制三維軟件可以應用叉車部件三維數據，將IGES文件格式導出來，CAD模型一般不會分析CAE的需求，要想聯系這些人可以通過這種渠道來實現，實體建模時可以使用DesignModeler全參數設計，便能實現ANSYS15.0Workbench，這種方法可以計算出具體的建模功能，可以及時創建具體模型，修復和導入CAD模型，創建和簡化CAD模型，下面便是叉車部件三維數模。

積極分析各種焊接問題，集體選中各種模型，便能組成一個全新的零件，這樣便能共享焊縫出節點，調節應力結果和溫度。具體計算時可以使用串熱源模型，可以分段焊接，三維幾何模型中的焊縫所在自然段便是一條焊縫，具體分段焊縫時其長度為50mm。

獨立分片算法和協調分片算法均屬于Workbench有限元網格算法。邊界考慮零件實體和協調分片算法的分片面的互相影響都能使用小公差，這適用于幾何體的小特征。為了減少單元樹木，方便提取荷載和小特征可以使用虛擬拓撲工具限制放寬分片。獨立算法分片不夠嚴格時，可以使用統一尺寸的網格。協調分片算法便是車架部件網格算法，分析此種模型發現，其底板厚度為30mm，為了確保計算精準度，可以采用高階單元算法。厚度至少為2層網格，全局單元尺寸大概為15mm，網格類型的單元類型主要以六面體為主導，可以使用四面體單元填充內部。網格單元數為27000，節點數為11000。

2.2 材料模型研究

焊接過程中模擬數值和計算過程受焊接物理性能和力學性能的影響，這直接影響著模擬的精準度，Q235直接組成了結構件材料，輸入的物理性能和力學性能參數和溫度密切相關。具體包括熱導率、線膨脹系數、泊松比、比熱容、屈服極限、彈性模量等多個方面。然后模擬三維數值時假設材料高溫性能，隨手翻閱材料工程手冊，便能查看參數溫度變化曲線，然后選擇主要數據點。

2.3 焊接串熱源模型研究

目前高斯熱源模型需要以熱流密度沿加熱中心的半徑方向，這種弧焊熱輸入方法模型可以有效模擬溫度場，進而得到較好的應變數值、應力結果。這種模型需要劃分出焊縫附近區域的網格，花費大量的時間迭代計算，計算數量特別大，如果實際構件工藝優化使用高斯熱源模型差距很大。

最理想的熱輸出方法便是點熱源模型，通過反應空間中無尺寸的幾何點便能反應出熱功率的大小。點熱源模型可以替換掉段熱源模型，直接形成一串點熱源。既能減少計算數量，同時方便其使用功能。段熱源模型被點熱源模型取代，便能形成串熱源模型。描述串熱源需要具體考慮節點輸入加熱時間和熱功率大小。施加點熱源要考慮其節點需求，不限制節點所在面的方向和形狀。用鼠標點擊添加位置，排除運用子程序這種操作步驟。

首先，考慮熱源集中系數K和斑點中心最大熱流Qm，則有下面的公式。

其次，考慮段熱源的基礎上，焊縫加熱長度d，施加單位時間的熱量為：

加熱時間為：

3 計算結果與誤差分析

變形場、應力場、計算溫度場都能收斂，分析計算結果后便能進行處理。焊接過程云圖，指定于某種篇幅，本文主要羅列了變形場、殘余應力、焊接溫度場的分布。

3.1 溫度分布

總體來說結束車架部件焊接后，其溫度場分布在附近周圍，離焊縫地區遠的地方溫度較低，焊縫附近的溫度較高。整個系統最高溫度為9400℃，最低溫度為37℃，普遍高于室溫。

3.2 形變與實驗結果

實際焊接過程中，底板可以平放在地面上，及時加固各板件進行點，然后焊接逐條焊縫。結束焊接后，可以直接測量平板2和平板1的具體舉例，測量平板2和平板1邊緣紅線的具體點位。結束測量后發現平板2和平板1之間變化了0.5mm。如圖1。

依據具體實際的焊接測量結果，部件結構變形圖可以用網格方法顯示，直接測量出具體焊接時兩條線的距離。比對實際測量結果與距離，這種比較十分可靠。本文使用的算法和焊接計算模型十分可靠，可以運用此種方法優化車架焊接順序。下圖便是實驗測試變形和計算變形的比較（如圖2所示）。

焊接變形和實際測驗結果是一樣的，不僅改變了某個方向的位置，實際改變了三個方向位置的移動，便能實現真正的變形。經過分析研究后發現：焊縫遠處節點位置移動較遠，焊縫周圍節點位移較小，焊接變形節點的位置移動為1.5mm左右。

3.3 焊接余熱應力分布

結束焊接后車架部件的殘余應力最大應力為8GPa，0.2GPa是其最小應力?；诖朔N背景，焊縫附近應力水平比較高。材料屈服應力小于其應力水平，材料便進入了塑性材料，遠離焊縫處便處于低應力水平。

4 結語

變形場、應力場、叉車結構的焊接溫度場都可以通過計算模擬數值得到。就溫度場來說，焊縫周圍溫度特別高，離焊縫地區較遠的地方溫度比較低。整個系統最高溫度為9400℃，最低溫度為37℃，略高于室溫。應力場上焊縫周圍應力水平較高，材料屈服應力低于應力水平。就變形場而言，比對實驗測試結果，兩者誤差為11%，低于規定誤差15%。

參考文獻：

[1]徐剛.某型號叉車車架焊接變形場數值模擬研究[D].浙江工業大學，2017.