09級(jí)論文格式樣板

黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目專業(yè)班級(jí)姓名年月日

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目：本課題的來(lái)源、選題依據(jù)：本課題的設(shè)計(jì)（研究）意義（相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)）：本課題的基本內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)，擬采用的實(shí)現(xiàn)手段（途徑）：（可以另附頁(yè)）文獻(xiàn)綜述（列出主要參考文獻(xiàn)的作者、名稱、出版社、出版時(shí)間以及與本課題相關(guān)的主要參考要點(diǎn)）：指導(dǎo)教師意見(jiàn)：指導(dǎo)教師：年月日專業(yè)部意見(jiàn)：簽字年月日中期進(jìn)展情況檢查表年月日課題名稱學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)指導(dǎo)教師職稱主要研究?jī)?nèi)容及進(jìn)展、尚須完成的任務(wù)存在的主要問(wèn)題及解決措施指導(dǎo)教師審查意見(jiàn)專業(yè)部審查意見(jiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-PAGEII--PAGEI-摘要受電弓是電力機(jī)車的電力接受器，在運(yùn)行中它和電力網(wǎng)線高速滑動(dòng)接觸，車頭通過(guò)它把電力從電網(wǎng)引入。它是地鐵輕軌、普通鐵路、高速鐵路電氣化很重要的一個(gè)火車部件。剛性底架由型材(鋼材)組焊而成，它是整個(gè)受電弓的基座部分，并通過(guò)絕緣子固定在機(jī)車車頂上。底架上裝有升弓氣囊、一套鉸鏈機(jī)構(gòu)和一副受電弓的阻尼器等。升弓氣囊和阻尼器一端安裝在底架上，另一端均安裝在鉸鏈機(jī)構(gòu)中的下臂桿上。鉸鏈機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)集電頭升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，包括有上框架、下臂桿、拉桿和平衡桿等，它們通過(guò)各種鉸鏈座鉸接。上框架是由壓型鋁合金型材和板材焊接而成，下臂桿是由管材組焊而成，拉桿和平衡桿為不銹鋼材料。各鉸接處都裝有滾動(dòng)軸承并采用金屬軟編織線進(jìn)行短接，以防止電流對(duì)軸承的燒損，平衡桿的作用是保證集電頭滑板面在受電弓整個(gè)工作高度范圍內(nèi)，始終保持基本水平狀態(tài)集電頭是直接與接觸導(dǎo)線接觸受流的部分，其上裝有碳滑板。集電頭支撐垂懸在4個(gè)拉簧下方，兩個(gè)扭簧安裝在集電頭和上臂間，克服橫向偏移，這種結(jié)構(gòu)使滑板在機(jī)車運(yùn)行方向上移動(dòng)靈活，而且能夠吸收橫向方向上的沖擊，達(dá)到保護(hù)滑板的目的。動(dòng)態(tài)接觸壓力(隨速度的變化增加或減少)可以通過(guò)安裝集電頭翼片來(lái)對(duì)不同速度等級(jí)的機(jī)車進(jìn)行調(diào)節(jié)(如用戶需要)所以受電弓的日常維護(hù)與檢查是確保列車運(yùn)行安全的重點(diǎn)之一。簡(jiǎn)單的受電弓故障處理也是必不可少的。關(guān)鍵詞：受電弓；火車部件；日常維護(hù)；故障；預(yù)備；牽引無(wú)流-=3\*ROMANIIIIII-AbstractThebogieisthemaincomponentofelectriclocomotive.Itsproductionanddesigndirectlyimpactonthestructureandelectriclocomotivesafeoperation.Theweldingqualityofthesidebeamofframeaffectstheelectriclocomotivebogieassemblyaccuracy.Fortheweldingquality,itisnecessaryforaframesidebeamweldingdeformationwaswellcontroled.ThearticlefirstlyintroducedthestructureofSS4Gelectriclocomotivebogieframeandthesidebeamoftheframe.UsingSolidWorksfiniteelementanalysissoftwareSimulationtoestablishasidebeamcoverplate,twoverticalplates,threelowercoverplatefiniteelementmode.Eventuallyconsistedofthelocomotivesidefiniteelementsimulationmodel.Keywords:Thesidebeamofframe,Numericalsimulation,Weldingdistortion,Weldingsequence哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-=3\*ROMANIII-目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 1一、概述DSA200型受電弓 2（一）DSA200型受電弓的結(jié)構(gòu)及作用 2（二）DSA200型受電弓技術(shù)參數(shù)： 3第2章******* 1一、課題背景及研究的目的和意義 1二、國(guó)內(nèi)外研究狀況 4（一）國(guó)外焊接變形控制研究概況 4（二）焊接變形控制在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 5三、熱—彈塑性有限元分析理論 6（一）焊接溫度場(chǎng) 6結(jié)論 8參考文獻(xiàn) 9致謝 12哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文第1章緒論DSAA200型單臂受電弓是目前國(guó)內(nèi)新造機(jī)車的首選型號(hào)，其設(shè)計(jì)速度200km/h，適用于相應(yīng)速度等級(jí)的各種電力機(jī)車及動(dòng)車組。其結(jié)構(gòu)合理，輕量化設(shè)計(jì)，整弓質(zhì)量約125Kg；采用氣囊驅(qū)動(dòng)升降弓，傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠；弓頭采用彈性懸掛型式，自由度大，相對(duì)接觸網(wǎng)線的跟隨性好，受流質(zhì)量高；具有獨(dú)特的自動(dòng)降弓裝置（ADD系統(tǒng)）；當(dāng)受電弓發(fā)生刮弓等故障時(shí)，自動(dòng)降弓裝置使受電弓快速降弓，對(duì)受電弓和網(wǎng)線起到保護(hù)作用DSA200型受電弓設(shè)計(jì)速度為200km/h。采用了輕量化設(shè)計(jì)，整弓部件數(shù)量做了一定數(shù)量的減少，質(zhì)量約為125kg，改善了弓網(wǎng)接觸特性。三維彈性懸掛方式降低了弓網(wǎng)之間的沖擊力。整體碳滑板內(nèi)設(shè)有氣道，通過(guò)其空氣壓力的變化來(lái)激勵(lì)自動(dòng)降弓裝置的動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)方式采用氣囊，調(diào)壓閥能即使監(jiān)控并調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)的壓力，一保證接觸壓力的平穩(wěn)性。DSA200型受電弓各部件使用了不同的材料，低價(jià)、下臂和下導(dǎo)桿師鋼制材料，上臂是鋁合金材料，所用的非金屬材料具有耐侯性的特點(diǎn)。各部件及整弓在實(shí)驗(yàn)室均經(jīng)過(guò)-40℃經(jīng)過(guò)大量的裝車使用證明，DSA200受電弓適合不超過(guò)200km/h各種運(yùn)行速度等級(jí)的機(jī)車和動(dòng)車。電氣化鐵路的牽引動(dòng)力是電力機(jī)車，機(jī)車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。變電所設(shè)在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來(lái)的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車直接輸送電能的設(shè)備，是電氣化鐵路的動(dòng)脈。我國(guó)電氣化鐵路的牽引供電制式從一開(kāi)始就采用單相工頻（50赫）25KV交流制。受電弓靠滑動(dòng)接觸而受流，是電力機(jī)車與固定供電裝置之間的連接環(huán)節(jié)，其性能的優(yōu)劣直接影響到電力機(jī)車工作的可靠性。隨著電力機(jī)車運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)其受流性能也提出了越來(lái)越高的要求。電力機(jī)車上安裝有兩臺(tái)受電弓，正常運(yùn)行時(shí)一般只升后弓，前弓備用。按結(jié)構(gòu)形式分，受電弓分為雙臂受電弓和單臂受電弓兩種。雙臂受電弓結(jié)構(gòu)對(duì)稱，側(cè)向穩(wěn)定性好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難。單臂受電弓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，調(diào)整容易，具有良好的動(dòng)特性，高速時(shí)動(dòng)態(tài)跟隨性及受流特性較好，故而被現(xiàn)代電力機(jī)車廣泛采用。目前，電力機(jī)車上采用有各種型號(hào)的受電弓，如SS1型、SS3B型機(jī)車采用的TSG1-600／25型受電弓，SS4改型機(jī)車采用的TSG1-630／25型和LV260-2型受電弓，SS6型機(jī)車上采用的TSG3-630／25型單臂受電弓，SS9型機(jī)車上采用的DSA－200型受電弓等。各型受電弓的某些零部件雖略有不同，但其基本結(jié)構(gòu)有許多相似之處。本節(jié)以SS8型和SS9型電力機(jī)車上采用的受電弓為例加以介紹：一、概述DSA200型受電弓SS9型電力機(jī)車上安裝有兩架DSA-200型，它是一種采用氣囊驅(qū)動(dòng)升弓的單臂式受電弓，主要應(yīng)用與干線電力機(jī)車，該受電弓裝有阻尼器和ADD自動(dòng)降弓裝置。（一）DSA200型受電弓的結(jié)構(gòu)及作用DSA－200型受電弓的結(jié)構(gòu)如圖7－7所示(包括閥板，在機(jī)車內(nèi)，圖中未標(biāo)出)。

圖7－7DSA200型受電弓 1－底架；2－下臂桿；3－導(dǎo)桿；4－上部框架；5－集電頭；6－集電頭導(dǎo)向裝置；7－驅(qū)動(dòng)裝置；8－氣路組裝；9－阻尼器；10－編織線。1.底架部分剛性底架由型材(鋼材)組焊而成，它是整個(gè)受電弓的基座部分，并通過(guò)絕緣子固定在機(jī)車車頂上。底架上裝有升弓氣囊、一套鉸鏈機(jī)構(gòu)和一副受電弓的阻尼器等。升弓氣囊和阻尼器一端安裝在底架上，另一端均安裝在鉸鏈機(jī)構(gòu)中的下臂桿上。2.鉸鏈機(jī)構(gòu)鉸鏈機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)集電頭升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，包括有上框架、下臂桿、拉桿和平衡桿等，它們通過(guò)各種鉸鏈座鉸接。上框架是由壓型鋁合金型材和板材焊接而成，下臂桿是由管材組焊而成，拉桿和平衡桿為不銹鋼材料。各鉸接處都裝有滾動(dòng)軸承并采用金屬軟編織線進(jìn)行短接，以防止電流對(duì)軸承的燒損，平衡桿的作用是保證集電頭滑板面在受電弓整個(gè)工作高度范圍內(nèi)，始終保持基本水平狀態(tài)。3.集電頭部分集電頭部分包括集電頭支撐和集電頭。集電頭是直接與接觸導(dǎo)線接觸受流的部分，其上裝有碳滑板。集電頭支撐垂懸在4個(gè)拉簧下方，兩個(gè)扭簧安裝在集電頭和上臂間，克服橫向偏移，這種結(jié)構(gòu)使滑板在機(jī)車運(yùn)行方向上移動(dòng)靈活，而且能夠吸收橫向方向上的沖擊，達(dá)到保護(hù)滑板的目的。動(dòng)態(tài)接觸壓力(隨速度的變化增加或減少)可以通過(guò)安裝集電頭翼片來(lái)對(duì)不同速度等級(jí)的機(jī)車進(jìn)行調(diào)節(jié)(如用戶需要)?；逯杏袣馇唬ㄓ袎嚎s空氣，如果滑板出現(xiàn)磨損到極限或斷裂時(shí)，受電弓會(huì)迅速自動(dòng)降下，更換滑板后，自動(dòng)降弓裝置重新啟動(dòng)。4．升弓裝置和氣路組裝升弓裝置傳遞、實(shí)現(xiàn)對(duì)受電弓升降運(yùn)動(dòng)的控制，升弓裝置包括氣囊組裝、矩形管、支架組焊、螺桿、四聯(lián)體等組成。升弓裝置一頭安裝在底架上，另一端通過(guò)鋼絲繩與螺栓固定在下臂桿的調(diào)整板上。氣路組裝是由閥板和提供壓縮氣體的管路組成，閥板安裝于機(jī)車內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)口的大小來(lái)控制升降弓時(shí)間，管路一端和升弓裝置的氣囊連接，另一端與絕緣軟管連接，由機(jī)車供風(fēng)斷風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)升降弓控制（二）DSA200型受電弓技術(shù)參數(shù)：1.主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)額定工作電壓…………25kV額定工作電流………1000A設(shè)計(jì)速度………………200km／h靜態(tài)接觸壓力…………………70N±10N，可調(diào)最低工作高度(包括絕緣子)…………888mm最高工作高度(包括絕緣子) ………2800mm最大升弓高度(包括絕緣子) ……3000mm折疊高度(包括絕緣子) …………588mm集電頭總長(zhǎng)度………1950mm集電頭寬度…………580mm滑板總長(zhǎng)度…………1576mm碳滑板………………1250mm輸入空氣壓力…………………0．4～1MPa接觸壓力為70N時(shí)空氣壓力………約0．36～0．38MPa2.DSA200型受電弓的特點(diǎn)與特性：(1)技術(shù)先進(jìn)、世界范圍普及率高DSA系列受電弓，技術(shù)成熟，產(chǎn)品在歐、亞、美等幾大洲均有較高的市場(chǎng)占有率。這一技術(shù)在我國(guó)的成功引進(jìn)，完全符合鐵道部倡導(dǎo)的在我國(guó)鐵路機(jī)車車輛產(chǎn)品方面打造中國(guó)“奧迪”的戰(zhàn)略方針。(2)動(dòng)態(tài)接觸性能好先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大量采用優(yōu)質(zhì)鋁合金和不銹鋼等輕型材料保證了較輕的整弓質(zhì)量，是TSG3型受電弓質(zhì)量的一半；尤其是輕質(zhì)量的弓頭及較大的弓頭自由度實(shí)現(xiàn)了弓網(wǎng)的良好接觸，在已進(jìn)行的弓網(wǎng)試驗(yàn)檢測(cè)表明，離線率幾近為0％。(3)壽命長(zhǎng)整弓的設(shè)計(jì)壽命為30年；易損件設(shè)計(jì)壽命均在5年以上。(4)在接觸網(wǎng)線正常的情況下，實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)公里免維護(hù)由于關(guān)鍵件采用國(guó)際知名品牌，質(zhì)量可靠，如荷蘭KONI公司的阻尼器，德國(guó)KNORR公司和日本SMC公司的閥類，德國(guó)INA、ASK、及FAG軸承，法國(guó)生產(chǎn)的氣囊等。高質(zhì)量配件的采用大大降低了產(chǎn)品的故障率及維修費(fèi)用。(5)耐侯性及耐腐蝕性強(qiáng)產(chǎn)品可在-40℃～+70℃的氣候條件下正常使用，適應(yīng)中國(guó)廣大地區(qū)及高溫、高寒、高(6)安全獨(dú)特的ADD系統(tǒng)獨(dú)特的自動(dòng)降弓裝置（ADD系統(tǒng)），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，反應(yīng)靈敏，動(dòng)態(tài)情況下1.2s離線150mm。(7)可匹配集成化主斷控制器在弓網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)，主斷控制器可斷開(kāi)機(jī)車主斷路器，從而避免了帶負(fù)載降弓時(shí)弓網(wǎng)之間產(chǎn)生拉弧而損壞受電弓和接觸網(wǎng)。該裝置輸出為無(wú)觸點(diǎn)控制，體積小、可靠性高、安裝簡(jiǎn)單。(8)產(chǎn)品的質(zhì)量保證期長(zhǎng),整弓的質(zhì)量保證期為50萬(wàn)公里或48個(gè)月。較小的氣動(dòng)阻力及不同氣流條件下保持不變的氣動(dòng)性能。由于總量較小以及有利質(zhì)量分配，在低觸點(diǎn)壓力情況下以少量電弧進(jìn)行能量傳輸在單牽引以及多牽引時(shí)滑板運(yùn)行效率較高。第2章*******一、課題背景及研究的目的和意義電力機(jī)車主要組成部分機(jī)車轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)直接影響電力機(jī)車的構(gòu)造以及能否保證機(jī)車的安全運(yùn)用與運(yùn)行。因此，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的制造質(zhì)量與精度就起著決定性的因素。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架的骨架和重要承力部件，在構(gòu)架生產(chǎn)制造過(guò)程中面對(duì)的主要問(wèn)題是如何控制焊接變形。而本文所研究的構(gòu)架側(cè)梁變形又是構(gòu)架焊接生產(chǎn)過(guò)程中控制焊接變形的關(guān)鍵因素，轉(zhuǎn)向架作為鐵道機(jī)車車輛的走行部分的主要部件，它對(duì)行車安全起著至關(guān)重要的作用，其可靠性直接決定了機(jī)車車輛的運(yùn)行的安全，構(gòu)架是其他部件的安裝基礎(chǔ)，如軸箱拉桿、垂向油壓減震器、牽引電動(dòng)機(jī)、旁承等，還要傳遞車體與動(dòng)輪之間的縱向、垂向、橫向等各種作用力。2003年對(duì)135臺(tái)在運(yùn)行的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，有44輛車在縱向牽引拉桿座的焊縫處發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋，最大裂紋長(zhǎng)度有50mm；此外鄭州某機(jī)務(wù)段在對(duì)機(jī)車進(jìn)行例行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有7臺(tái)在運(yùn)的韶山4G電力機(jī)車中機(jī)車側(cè)梁與牽引梁的焊縫處發(fā)現(xiàn)不同程度的裂紋，最大裂紋長(zhǎng)度有50mm左右，原因是由于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形量過(guò)大，內(nèi)應(yīng)力過(guò)大造成[1]20世紀(jì)30年代中期，幾乎多數(shù)的內(nèi)燃機(jī)車、蒸汽機(jī)車、電力機(jī)車、鐵道車輛的主要承力部件的制造大都采用焊接工藝，但也有少數(shù)車型仍采用鑄造的方法，隨著我國(guó)鐵路的跨越式發(fā)展，作為牽引動(dòng)力的電力機(jī)車朝著大功率、重載方向發(fā)展，為了保證重載機(jī)車行車安全，對(duì)機(jī)車主要的承力部件的抗疲勞強(qiáng)度及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求逐步提高，因此需要制定科學(xué)的焊接工藝來(lái)保證電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁等主要承力部件的焊接質(zhì)量。電力機(jī)車機(jī)械部分的主要承力部件大都采用鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)，這種焊接的箱型結(jié)構(gòu)相對(duì)于鑄造加工方法相比其優(yōu)點(diǎn)是可以使結(jié)構(gòu)輕量化，即不降低部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又節(jié)約了材料，并且焊接制造工藝與其他制造工藝來(lái)說(shuō)生產(chǎn)周期較短，步驟簡(jiǎn)單可以生產(chǎn)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件。目前，鐵道機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架焊接的箱型結(jié)構(gòu)已成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造中應(yīng)用最多的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一[2]。焊接機(jī)構(gòu)在焊接時(shí)，由于焊接熱源具有高溫，并沿焊接點(diǎn)移動(dòng)，所以受溫度、焊接速度的影響整個(gè)轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接過(guò)程就及其復(fù)雜。由于機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁尺寸較大，整個(gè)焊接的過(guò)程就顯得及其復(fù)雜，整個(gè)過(guò)程加熱不均勻，因此側(cè)梁的溫度分布就及其不均勻，焊接后冷卻時(shí)就使轉(zhuǎn)向架側(cè)梁產(chǎn)生分布不均勻的應(yīng)力同時(shí)產(chǎn)生不均勻的應(yīng)變，最終就導(dǎo)致了殘余變形的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁結(jié)構(gòu)的整體性受到殘余變形的影響，其大小又決定著你加工的工藝能否滿足設(shè)計(jì)要求，殘余變形量大更影響著機(jī)車可靠的安全運(yùn)用[3]。側(cè)梁的殘余變形會(huì)產(chǎn)生很大的隱患，例如在側(cè)梁與牽引梁的接頭中形成裂紋，影響轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，尺寸參數(shù)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。因此從轉(zhuǎn)向架側(cè)梁整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，包括設(shè)計(jì)、材料的選擇、焊接的工藝與方法、焊后的處理等進(jìn)行嚴(yán)格的控制。由于側(cè)梁是焊接的箱型結(jié)構(gòu)，其殘余變形的控制通過(guò)焊縫的質(zhì)量保證來(lái)達(dá)到，這也是說(shuō)焊縫的質(zhì)量是焊接質(zhì)量的核心問(wèn)題，通過(guò)對(duì)焊縫質(zhì)量的控制，來(lái)提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減小焊接殘余應(yīng)力。目前內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、鐵道車輛在走行部的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上普遍都采用鋼板焊接的箱型鋼結(jié)構(gòu)，因此箱型結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)能否達(dá)到機(jī)車重載運(yùn)行要求就很關(guān)鍵，如結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度、箱型鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，箱型鋼結(jié)構(gòu)的鋼度，焊接的精度等。在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接加工時(shí)，由于焊接的不均衡加熱使得焊接后的側(cè)梁結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，因此焊接加工生產(chǎn)的側(cè)梁質(zhì)量不能得到良好的控制，需要加工制造后對(duì)產(chǎn)生的變形量進(jìn)行矯正?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)技術(shù)人員長(zhǎng)期積累的工作經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)來(lái)制定矯正變形量的方法，象側(cè)梁這樣較大較復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)在對(duì)其變形量進(jìn)行矯正時(shí)就顯得極其不容易，致使生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)、效率低、容易出現(xiàn)次品。為了較小焊接后變形量對(duì)側(cè)梁整體結(jié)構(gòu)的影響，首先應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的變形量進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)采取措施來(lái)減小變形量以縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、較少次品率需要對(duì)側(cè)梁的加工工藝與焊接過(guò)程進(jìn)行理論化、系統(tǒng)化的分析研究，通過(guò)成系統(tǒng)化的分析找到側(cè)梁焊接加工過(guò)程中產(chǎn)生變形量的預(yù)測(cè)方法。轉(zhuǎn)向架又是電力機(jī)車的走行部，其構(gòu)架是電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架的重要部分，是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸要求較高的焊接件、承受較大的作用力。南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車廠是制造電力機(jī)車的龍頭行業(yè)，制造電力機(jī)車已有幾十年的歷史。該廠轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的制造工藝方法是：板材下料→板材加工→板材壓形→各粱焊接→各梁加工→構(gòu)架焊接→組焊→構(gòu)架退火→構(gòu)架整體加工→附件組焊→構(gòu)架拋丸→構(gòu)架油漆[4]。株洲廠在側(cè)梁制造過(guò)程中減小焊接后的變形量的工藝是通過(guò)對(duì)焊接的方法合理選取、對(duì)焊縫的布置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、焊接時(shí)使其產(chǎn)生相反的殘余變形，采用固件固定的方法。目前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)正在不斷的發(fā)展，而且應(yīng)用到了較多的工程實(shí)踐當(dāng)中，計(jì)算機(jī)本身的硬件配置與計(jì)算速度都有較大幅度的提高，提高了計(jì)算機(jī)模擬焊接過(guò)程的速度，提高了工作效率。利用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際的物理過(guò)程，稱為數(shù)值模擬試驗(yàn)[4]。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)電力機(jī)車構(gòu)架側(cè)梁焊縫焊接過(guò)程進(jìn)行的模擬，可以對(duì)側(cè)梁焊接過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，這可以降低了生產(chǎn)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)與時(shí)間，為提高焊接質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。因此，數(shù)值模擬在工程實(shí)踐與研究中具有深遠(yuǎn)的意義。圖1-1SS4電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架圖1-1SS4電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架1—前、后端梁；2—左、振器座；3—牽引梁；4—定位板；5—減震器座；6—垂向減振器座；7—下拉桿座；8—上拉桿座。機(jī)車結(jié)構(gòu)除轉(zhuǎn)向架外，轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，是通過(guò)二系懸掛裝置（旁承）和一系懸掛裝置（軸箱彈簧、垂向油壓減震器）作用在側(cè)梁上，機(jī)車的縱向牽引力通過(guò)輪對(duì)作用在軸箱上，軸箱作用在軸箱上、下拉桿以及拉桿座，軸箱拉桿座與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁相連進(jìn)行傳遞的，轉(zhuǎn)向架焊接焊情況相當(dāng)復(fù)雜，這就存在著一些焊接缺陷應(yīng)，降低了轉(zhuǎn)向架整體的疲勞強(qiáng)度與壽命。當(dāng)機(jī)車通過(guò)曲線時(shí)，橫向力也通過(guò)軸箱及拉桿或側(cè)檔作用在側(cè)梁上。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁生產(chǎn)制造過(guò)程由于不能很好地控制焊接變形而達(dá)不到設(shè)計(jì)尺寸要求，為了矯正焊接變形而不得不采用火焰加熱械調(diào)直等方法，這樣做不僅增加成本，而且會(huì)改余應(yīng)力的分布狀態(tài)，殘余應(yīng)力的存在對(duì)機(jī)車構(gòu)架勞強(qiáng)度和疲勞壽命均有很大的影響，特別是應(yīng)力和高殘余應(yīng)力疊加的轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接接頭，往往產(chǎn)生應(yīng)變循環(huán)。若材料的韌性儲(chǔ)備不足，就有可能開(kāi)裂造成危害及隱患，直接影響著重載列車的行車安全。綜上所述，如何通過(guò)數(shù)值模擬仿真的方法對(duì)側(cè)梁的焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)并采取一定的措施控制焊接變形，保證側(cè)梁焊接制造過(guò)程中的焊接質(zhì)量，就成為保證整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。二、國(guó)內(nèi)外研究狀況（一）國(guó)外焊接變形控制研究概況在20世紀(jì)40年代初期關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形與焊接應(yīng)力方面的研究較少，Osgood[5]教授對(duì)這方面進(jìn)行了分析與研究并提出了淺顯的原因。20世紀(jì)60年代初開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)研究焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題，20世紀(jì)60年代中期泰爾首先利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)一條簡(jiǎn)單的焊縫進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過(guò)編程計(jì)算出焊接應(yīng)力[6]。1967年一些學(xué)者開(kāi)始研究鋼板在焊接時(shí)的應(yīng)力變化，找到了應(yīng)力集中與收縮引起的焊接變形的原因，Watanabe、SatohK[7]為典型的代表，同時(shí)提出了預(yù)測(cè)焊接變形的一系列公式為今后的焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。金屬材料的性能與溫度場(chǎng)之間的關(guān)系理論首先在20世紀(jì)70年代初，由日本的村川英一、麻寧等應(yīng)用數(shù)值模擬分析的方法研究出來(lái)，為以后的應(yīng)力場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的有限元的分析奠定了基礎(chǔ)[1]。DaniewiczSR[8]對(duì)大型的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)數(shù)值模擬的方法仿真模擬了焊縫的收縮情況，并成功的應(yīng)用到了輪船的焊接結(jié)構(gòu)中，為大型的焊接結(jié)構(gòu)焊接變形的有限元分析提供了經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)。有限元在二十世紀(jì)八十年代其技術(shù)發(fā)展的日臻成熟，通過(guò)試驗(yàn)人員的大量研究，焊接結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中的應(yīng)力分布、焊接的殘余變形的情況掌握的以及各種焊接結(jié)構(gòu)的有限元分析也在不斷深入。焊接殘余變形有限元分析的精準(zhǔn)度還不是很高，不能用于生產(chǎn)實(shí)踐，因此瓊弗森等人提高了焊縫殘余應(yīng)力分布的模擬分析的精準(zhǔn)度，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究，討論了減小管件焊接殘余變形的方法[9]。在彈—粘塑性模型與彈塑性模型的使用上加拿大卡爾頓大學(xué)機(jī)械航空工程系JohnGoldak[10,11]教授等提出了自己的觀點(diǎn)，JohnGoldak教授是熱加工過(guò)程數(shù)值模擬領(lǐng)域著名學(xué)者，主要從事焊接熱過(guò)程、鑄造熱過(guò)程數(shù)值模擬和軟件研究工作，并提出了根據(jù)焊接溫度的不同應(yīng)使用相應(yīng)的模型來(lái)計(jì)算。二十世紀(jì)九十年代隨著計(jì)算機(jī)的硬件制造工藝的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存與主頻逐步提高，因此為有限元的發(fā)展提供了關(guān)闊的前景。20世紀(jì)末研究人員對(duì)焊接熱源即焊接點(diǎn)熱力分布進(jìn)行了研究，并考慮到了焊接過(guò)程熱力學(xué)與晶相學(xué)，通過(guò)計(jì)算的出的結(jié)論與試驗(yàn)測(cè)出的結(jié)論一致。Tso-LiangTeng、Tso-LiangTeng、Chin-PingFung、Peng-HsiangChang、[12]等對(duì)利用有限元分析軟件模擬了焊接構(gòu)件的應(yīng)力分布，對(duì)今后的焊接應(yīng)力數(shù)值分析提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于較厚的鋼板焊接的數(shù)值模擬難度較大，加拿大的希迪亞克等人對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并構(gòu)建了熱應(yīng)力的立體模型，同時(shí)將影響人熱應(yīng)力分布的晶相學(xué)考慮進(jìn)去。隨著有限元技術(shù)發(fā)展的深入，焊接熱彈—塑性有限元分析逐漸發(fā)展到三維模型研究。二十一世紀(jì)初對(duì)三維焊接模型進(jìn)行了研究[13]。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的變形研究也逐步深入，結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展研究在工程實(shí)踐中具有深遠(yuǎn)的意義，因此焊接變形預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)研究具有代表性的國(guó)家就是英國(guó)。（二）焊接變形控制在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀七十年代初期對(duì)應(yīng)力變形的研究還處在起步階段，首先研究者對(duì)焊接過(guò)程中的應(yīng)力對(duì)焊接件的影響，以及焊接應(yīng)力與焊接應(yīng)力對(duì)焊接裂紋影響進(jìn)行了分析，并得出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有代表性的要數(shù)西安交大[14]。為了提高熱—彈塑性有限元焊接數(shù)值分析的確切性，上海交大在1980年初研究了不同焊接熱源條件下的有限元分析方法，并消除了不同焊接中焊接熱源負(fù)面作用，并取得一定的數(shù)據(jù)成果[15]。但總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)的焊接數(shù)值模擬研究起步晚，沒(méi)有前人的經(jīng)驗(yàn)，落后發(fā)達(dá)國(guó)家十幾年以上。盡管起步落后，但我國(guó)在焊接變形控制有限元分析領(lǐng)域也作出了較多的貢獻(xiàn)，許多的科研人員在此領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究。在堆焊時(shí)的應(yīng)力和變形的研究方面孟繁森等一些研究人員在模擬焊接過(guò)程中利用計(jì)算機(jī)有限元通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變圖形分布程序，方便直觀的分析出應(yīng)力和變形的情況。由于三維分析焊接應(yīng)力和變形較為復(fù)雜，研究人員更是把涉及到三維的內(nèi)容與二維內(nèi)容互為變化，同時(shí)又充分利用變形熱彈其平面塑性的物理特性，研究了一種集計(jì)算精準(zhǔn)，數(shù)據(jù)平衡并行之有效的推論辦法，當(dāng)然其功能還在于有效穩(wěn)定的三維焊接熱彈性有限元法，其中具有代表性的就是汪建華等人[16-18]。由于焊接分段移動(dòng)熱源在有限元模型的建立上較為復(fù)雜，為了少計(jì)算、簡(jiǎn)化模型構(gòu)建、提高計(jì)算效率清華大學(xué)就經(jīng)過(guò)研究，簡(jiǎn)化了建模方法并將此研究應(yīng)用到了挖掘機(jī)、起重機(jī)主梁的設(shè)計(jì)、制造工藝當(dāng)中取得了較好的效果[19]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接教研室主任田錫唐是我國(guó)著名焊接專家，在焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形控制方面有突出貢獻(xiàn)，在焊接熱力過(guò)程有限元數(shù)值模擬應(yīng)用上進(jìn)行了多方面的研究工作[20]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孟慶國(guó)、陶軍等在焊接動(dòng)態(tài)位移場(chǎng)的建模與數(shù)值模擬也做了研究[21]。二十世紀(jì)60年代和70年代，關(guān)橋院士在航空工業(yè)焊接中作出突出貢獻(xiàn)，攻關(guān)了多個(gè)飛行器特種焊接項(xiàng)目中關(guān)鍵技術(shù)，并提出了“低應(yīng)力無(wú)變形焊接”理論，即焊接的“靜態(tài)控制”推向“動(dòng)態(tài)控制”，這種理論是他從大量影響飛行器薄壁焊接結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的因素中，提煉出的一個(gè)構(gòu)思[22]。在高速機(jī)車結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬應(yīng)用上，大連交大的崔曉芳、楊鑫華、兆文忠在基于熱—機(jī)耦合算法建立了熱彈—塑性仿真模型[23,24]。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)其它一些專業(yè)人員的不斷深入研究，焊接領(lǐng)域的不斷發(fā)展也是突飛猛進(jìn)。首先是關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)的有限元技術(shù)，從原有的只注重在應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和溫度應(yīng)變場(chǎng)這一專一的方面向同時(shí)可以檢測(cè)到組織、結(jié)構(gòu)、性能這一中觀和微觀尺度這種?？菩缘陌l(fā)展。從原有單一的溫度場(chǎng)、電流場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展到縱向的多場(chǎng)和多維耦合集成的變化方向。三、熱—彈塑性有限元分析理論（一）焊接溫度場(chǎng)焊接件在焊接時(shí)在焊接熱源的高溫焊接下，焊接件內(nèi)外各點(diǎn)的某一時(shí)刻的溫度分布情況稱為焊接溫度場(chǎng)。由于焊接過(guò)成是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此在構(gòu)件焊接時(shí)形成的溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化而變化且極不均勻，在極不均勻的溫度場(chǎng)作用下使焊接件產(chǎn)生焊接形變，同時(shí)焊接件的金屬組織形態(tài)發(fā)生改變。金屬顯微組織的變化也可以是焊接件產(chǎn)生應(yīng)力并引起形變?？梢缘贸鼋Y(jié)論分析焊接產(chǎn)于變形首先應(yīng)從焊接溫度場(chǎng)著手，但也不能忽略金相與顯微組織對(duì)焊接形變的反作用。因此討論轉(zhuǎn)向架側(cè)梁焊接變形第一步應(yīng)模擬計(jì)算分析側(cè)梁的焊接溫度場(chǎng)分布情況。[1]111．焊接傳熱形式與基本方程（1）焊接傳熱的形式對(duì)于焊接過(guò)程來(lái)說(shuō)有熱傳導(dǎo)、熱輻射、對(duì)流等三種過(guò)程同時(shí)存在，但是那種傳熱形式占主導(dǎo)地位要看構(gòu)件的加工工藝與方法而定，在電弧焊接的條件下時(shí)，焊接電弧所產(chǎn)生的能量主要與輻射和對(duì)流的形式傳遞給焊接構(gòu)件，焊條和母材在獲得能量后主要以熱傳導(dǎo)的形式在內(nèi)部擴(kuò)散，焊接熱傳遞過(guò)程研究的對(duì)象就是焊接的熱溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律是怎樣的，但主要是以熱傳導(dǎo)為主，輔以熱對(duì)流和輻射的作用。（2）焊接熱傳導(dǎo)的方程按照熱從焊接構(gòu)件的高溫部位向低溫部位流動(dòng)，它的流動(dòng)遵循傅立葉定律。根據(jù)傅立葉定律及能量守恒定律，可以導(dǎo)出任一無(wú)限大物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)基本方程。假設(shè)有一個(gè)無(wú)限大的物體dV=dxdydz，則在x、y、z三個(gè)方向的熱流量的變化設(shè)為dqx、dqy、dqz，在dt時(shí)間內(nèi)單位體積dV的熱量變化為[25]：得到的熱傳導(dǎo)的基本方程式為：(1-1)式中——熱擴(kuò)散率（cm2/s）；——拉普拉斯運(yùn)算符號(hào)；——沿x、y、z三個(gè)方向二階偏導(dǎo)函數(shù)之和。[26-28]表1-1焊接件在不同熱源獲得熱能熱源QnR備注點(diǎn)熱源3線熱源2H表示薄板厚度面熱源1xF代表?xiàng)U件橫截面結(jié)論本文在總結(jié)前人的工作基礎(chǔ)上，利用SolidWorks軟件模擬了SS4G電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁縫的瞬時(shí)溫度場(chǎng)、靜態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)、構(gòu)架側(cè)梁焊接合位移的變化情況，分析焊接變形數(shù)值模擬與焊接應(yīng)力數(shù)值模擬的基本原理，尋找提高電力機(jī)車轉(zhuǎn)向架焊接變形數(shù)值模擬精度的分析方法，并通過(guò)SolidWorksSimulaiton軟件制作了SS4G機(jī)車轉(zhuǎn)向架側(cè)的三維有限元模型，考利用SolidWorks有限元分析軟件的Static非線性靜態(tài)分析、熱分析（ThermalAnalysis）插件（算例）的應(yīng)力與溫度場(chǎng)分析功能模對(duì)4種不同焊接順序模型進(jìn)行分析得出研究成果如下：

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