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基于abaqus的铝合金地铁车体焊接变形仿真

李树栋

中车南京浦镇车辆有限公司

摘要:在城市轨道交通车辆制造领域，铝合金材料广泛用于车身制造，因其材料的特殊性，

焊接变形的控制成为制造中的瓶颈问题，由此造成的平面度超差等问题频繁出现。本文运

用大型商用有限元分软件ABAQUS对某项目铝合金车体侧墙总成焊接行为进行仿真计算，

由此控制和预测的项点包括焊接变形量、反变形量预设值、焊接温度场、预设工装夹具位

置等参数，同时使用CAE仿真预测和实际焊接变形测量验证两种方法，解决铝合金车体侧

墙在制造过程中的平面度超差问题。本文希望在CAE仿真分析与实际车体制造之间架起一

座桥梁，为今后利用有限元方法分析材料的焊接行为起到了一个很好的引导作用，使仿真

试验进一步指导工程实际。

关键词:地铁车辆；铝合金；焊接；计算机仿真

1.序言

伴随着现代工业发展速度的不断加快，人们对工业产品需求增加，同时对其轻量化程

度的要求也越来越高。铝合金具有高的比强度、良好的机械性能以及耐腐蚀性等优点，已

被广泛应用于许多焊接结构产品中，成为了现代工业用量最大和用途最广的轻量化金属材

料，广泛应用在军工武器、汽车、轨道车辆、航空航天、机械制造、电工和船舶等领域[1,2]

在地铁车辆中，已大量采用铝合金车体。常用的焊接方式为MIG自动焊接。焊接过程

中加热和冷却过程的梯度温度场会导致焊后残余应力和焊接变形的产生。焊接残余应力和

焊接变形会降低产品尺寸精度和稳定性，严重影响轨道交通制造中焊接结构的制造和使用

[3]

性能。究其原因，在于当前的焊接应用中还存在很多落后的工艺方式，如何将现代的焊

接数值仿真技术应用于传统的焊接工艺，利用先进的计算机数值模拟技术改造传统的焊接

工艺，对加速我国焊接信息化与工业化的融合有着非常重要的意义。焊接数值模拟技术的

发展是随着焊接实践经验的积累，有限元数值模拟技术，计算机技术等的发展而逐步开始

的。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场，残余应力，变形等方面改善焊接部件的制

[4]

造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。

本文利用大型商用有限元分析软件ABAQUS对某地铁车辆侧墙总成焊接进行仿真。研

究在焊接过程中侧墙的变形情况，并测试在施加不同反变形的工况下侧墙焊后整体的平面

度。最后将仿真结果与实件焊接进行对比验证，为现场焊接工艺的指定提供理论指导。

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2.地铁侧墙总成焊接现象描述

某地铁项目中车体侧墙大部件采用搅拌摩擦焊墙板单元，该单元在焊接完成后与侧墙

边梁经过MIG自动焊焊接而成，要求MIG自动焊后整体平面度1.5mm/m，结构示意图如

下：

1-边梁2-墙板单元

图1焊接区域图图2焊接示意图

焊接时，先焊接第一道焊缝，将边梁正面和侧墙正面紧压在工装上，主要焊接参数为

I=210，U=19.7,v=40cm/min。焊接完成后拆掉工装。随后将工件反置在工装上，两端压

紧，焊接第二条焊缝。

焊接第一道焊缝：

图3第一道焊缝焊接示意图

将工件反置在工装上，两端压紧，同时在焊缝处增加反变形支撑，如下图所示

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图4第二道焊缝焊接示意图

3.焊接仿真过程模拟

3.1建模

采用实体单元建模，取一个非窗区的侧墙单元建模。为简化模型，将铝板与加强筋分

开建模，后采用TIE的办法绑定在一起。如图5所示：

图5实体单元建模

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为加快计算速度，对网格密度进行定义，细化焊缝处网格，简化其它处网格，如图6

所示。

图6建立有限元模型建模

3.2