地鐵構(gòu)架多道焊應(yīng)力調(diào)控與焊接順序優(yōu)化方法研究.pdf

1、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是軌道車輛的關(guān)鍵承載和傳力構(gòu)件，對行車安全起著至關(guān)重要的作用。目前地鐵構(gòu)架屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)件，焊縫數(shù)量多，且采用多層多道焊焊接。由于焊接過程中不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，影響構(gòu)架的尺寸穩(wěn)定性及疲勞壽命。因此開發(fā)有效地預(yù)測構(gòu)架焊接殘余應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬技術(shù)，剖析多道焊應(yīng)力和變形的演變機制及其調(diào)控方法，開展復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接順序優(yōu)化設(shè)計研究，對促進構(gòu)架精密焊接成形技術(shù)發(fā)展、提高質(zhì)量及服役安全可靠性具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。

2、
　　本文研究了焊接數(shù)值模擬熱源模型參數(shù)快速準(zhǔn)確求解問題，提出了基于熔池輪廓形狀擬合的焊接熱源模型參數(shù)求解及誤差評估方法。該方法采用偽彩色技術(shù)和差影法，獲得接頭熔池輪廓照片和溫度場模擬的熔池圖像間的色彩分布差值矩陣，構(gòu)建熔池輪廓形狀誤差函數(shù)，采用模式搜索法反演求解出熱源模型參數(shù)值。該方法應(yīng)用于MAG焊T型接頭焊接溫度場模擬，分別獲得了單一雙橢球熱源模型和高斯+雙橢球組合熱源模型參數(shù)的優(yōu)化值。計算結(jié)果表明，組合熱源模型比單一雙橢球熱

3、源模型更適合T型接頭焊接溫度場模擬，模擬與試驗熔池輪廓形狀的誤差為17.8％，相比單一雙橢球熱源模型準(zhǔn)確度提高了11.5％。
　　本文開展了多道焊殘余應(yīng)力分布影響因素及演變機制研究，提出調(diào)控殘余應(yīng)力的方法。對Q345C板材進行了表面堆焊兩道焊試驗，在焊道間覆蓋率為0％和50％兩種情況下，測量了先焊焊道的焊趾附近點溫度循環(huán)曲線和焊后殘余應(yīng)力。利用瞬態(tài)三維熱彈塑性有限元法并結(jié)合試驗測試，分析了板材表面堆焊兩道焊的焊接溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的

4、變化規(guī)律。研究表明:塑性應(yīng)變不變的位置殘余應(yīng)力會隨著彈性應(yīng)變的降低而降低，利用后焊焊道產(chǎn)生的壓縮彈性應(yīng)變可以影響先焊焊道的拉伸彈性應(yīng)變，由此調(diào)控多道焊的殘余應(yīng)力分布。通過分析焊接熱循環(huán)峰值溫度與殘余應(yīng)力關(guān)系、后焊焊道對先焊焊道焊趾附近的熱力作用，確定了先焊焊道焊趾附近殘余應(yīng)力因后焊焊道熱循環(huán)作用而降低的條件，推導(dǎo)出了將先焊焊道的焊趾殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力的后焊焊道焊接線能量估算公式。
　　基于以上研究，本文開展了焊道數(shù)量、焊接線能量

5、和焊接順序?qū)Χ嗟篮笟堄鄳?yīng)力的影響研究，提出了調(diào)控殘余應(yīng)力的蓋面焊工藝設(shè)計原則?；谠撛瓌t進行構(gòu)架吊座管板接頭蓋面焊的焊接工藝多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化工藝比原始工藝的焊后變形減小7％，焊趾附近殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，實現(xiàn)了多道焊殘余應(yīng)力調(diào)控的目的。
　　考慮到構(gòu)架焊接裝配過程的工位變換與焊接順序之間的關(guān)聯(lián)與制約，本文開展了考慮焊接裝配工位變換次數(shù)約束的焊接順序優(yōu)化問題研究，提出了含有工位
　　約束的基因修復(fù)算子遺傳優(yōu)化算法。該方法采

6、用反映焊縫所在工位號、接頭組號及其組內(nèi)序號的多參數(shù)級聯(lián)編碼方式，通過個體中的基因排序反映工位約束的要求，對遺傳算法的種群產(chǎn)生引入基因修復(fù)算子，可剔除種群中無法采用的焊接順序個體，優(yōu)化并求解合理的焊接順序。將該方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫梁和側(cè)梁的環(huán)形焊縫焊接順序設(shè)計，以焊后結(jié)構(gòu)變形量最小為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合焊接變形有限元仿真計算進行優(yōu)化設(shè)計。在工位變換次數(shù)最少的情況下，獲得了優(yōu)化的環(huán)形焊縫焊接順序，焊后最大垂向變形差為2.6mm，低于原始工藝，仿