基于焊接的火车钩舌再制造修复应力变形研究

论文摘要

钩舌是火车车钩缓冲装置的重要部件之一，长期使用导致钩舌S面产生严重磨损、裂纹，甚至报废。对钩舌磨损件进行基于GMAW（Gas Metal ArcWelding）的再制造修复，研究该过程残余应力、变形规律，优化堆积路径，对于提高钩舌修复质量，具有重要意义。本文研究了13A型货车钩舌在典型再制造修复路径下的温度场、应力、变形规律，并通过对不同堆积路径下堆积热过程、应力变形进行对比分析，以优化钩舌修复路径。本文采用有限元MSC.Marc软件，建立钩舌修复的热-应力直接耦合计算模型。针对工件体积大、结构复杂、网格单元数目庞大、材料性能参数随温度非线性变化、求解收敛困难、边界条件复杂、计算时间过长等问题，采用生死单元法按堆积顺序逐步激活填充金属网格，利用定义接触体法有效减少网格总数，提高了计算速度。通过验证实验，实测了钩舌修复过程典型位置热循环以及残余应力分布，对比得出，模拟与实测结果基本吻合，验证了模型正确性。以沿长边由内到外反向连续堆积修复过程为例揭示温度场、应力场的一般分布规律，并对残余应力和变形分布特点进行探讨。结果表明：钩舌堆积修复过程，前道对后道有预热作用，后道对前道有后热作用，且随堆积道数增加热积累作用增大；后道热过程可使前道得到部分应力释放；残余应力分布为：在S面拘束度较大的内凹面区域应力较大，外凸面区域应力较小，末道堆积区域出现局部应力最大值。分析对比不同堆积路径对修复热过程、残余应力、变形的影响，结果表明：从温度场角度分析，沿长边由外向内堆积比沿长边由内向外堆积更有利于散热；沿短边堆积温度场分布最不平均；从应力场角度分析，在钩舌S面内弯角处，短道正、反向两种修复过程残余应力最小，其次是沿长边由外向内堆积的两种方式，最后是沿长边由内向外堆积的两种方式；从变形角度分析，每种修复方式均符合要求。根据上述结果，采用优化的路径进行堆积修复，道间等待20s，可以有效的降低S面内弯角处应力，以减少疲劳裂纹产生的可能性，提高修复质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 再制造工程应用现状
• 1.2.2 基于 GMAW 的再制造研究现状
• 1.2.3 数值模拟在温度场及应力变形方面的应用现状
• 1.2.4 火车钩舌研究现状
• 1.3 火车钩舌的质量要求分析
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 钩舌有限元模型的建立及验证
• 2.1 钩舌有限元模型的建立
• 2.1.1 几何模型的建立与简化
• 2.1.2 材料性能参数
• 2.1.3 计算单位的统一及热源模型选取
• 2.1.4 初始条件及边界换热系数
• 2.1.5 熔化潜热的处理
• 2.2 实验验证有限元模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 钩舌堆积修复热过程及应力变形分析
• 3.1 温度场计算及结果分析
• 3.1.1 温度场分析
• 3.1.2 热循环分析
• 3.2 应力场计算及结果分析
• 3.2.1 应力场分析
• 3.2.2 应力循环分析
• 3.2.3 残余应力分析
• 3.2.4 道间应力分析
• 3.3 变形计算及结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 堆积路径对热过程及应力变形影响
• 4.1 六种堆积路径的影响
• 4.1.1 六种堆积修复路径规划
• 4.1.2 六种堆积路径模拟温度场分布对比
• 4.1.3 六种堆积路径残余应力分布对比
• 4.1.4 六种堆积路径翘曲变形对比
• 4.2 道间等待相同时间六种修复方式的比较
• 4.2.1 道间等待时间的确定
• 4.2.2 道间等待20s 六种修复方式温度场的比较
• 4.2.3 道间等待20s 六种修复方式残余应力的比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 钩舌再制造修复规律验证实验
• 5.1 实验系统
• 5.2 实验结果
• 5.3 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢