基于焊接的火车钩舌再制造修复应力变形研究

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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。
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