Моделирование процесса сварки боковой стенки вагона зерновоза в среде SolidWorks Simulation

В процессе сборки-сварки металлоконструкции подвергаются существенным температурным деформациям, что может оказать влияние на выполнение технических требований, предъявляе-

мых к форме и взаимному расположению поверхностей свариваемых элементов. В этой связи представляется актуальной задача оптимизации проектного решения (в технологическом аспекте)

на основе предварительного анализа напряженно-деформированного состояния конструкции.

Задача решается как задача вариантной оптимизации проектирования технологического процесса сварки-сборки для боковой стенки вагона зерновоза. Боковая стенка состоит из листа толщиной 3 мм и приваренных к нему 9 швеллеров сечением 120 × 80 × 4 мм. Материал элементов стенки – низколегированная сталь 10ХНДП. Сварка полуавтоматическая в среде СО2, марка сварочной проволоки 08Г2С диаметром 1,2 мм.

Теоретические основы и инструментальные средства решения поставленной задачи

Целью работы в части анализа конструкторских и технологических проектных решений является качественная оценка напряженно-деформированного состояния конструкции боковой стенки вагона зерновоза, возникающего в процессе сборки-сварки. Поставленная задача решалась как нестационарная, несвязанная задача термоупругости в линейной постановке, что позволило уравнения теплопроводности и упругости решить раздельно. Таким образом, результирующее напряженно-деформированное состояние определялось по известным температурным полям [3].

Для решения поставленной задачи использовалась CAD/CAE система SolidWorks (SolidWorks Simulation), поскольку она оптимальным образом сочетает в себе «инженерный» и исследовательский функционал [1]. Метод конечных элементов, реализованный в SolidWorks Simulation, обеспечивает возможность получения адекватных результатов для задач рассматриваемого класса. В ходе исследования проводилось параметрическое твердотельное моделирование деталей боковой стенки вагона; рассматривалось ее напряженно-деформированное состояние в процессе сборки-сварки под термической нагрузкой и под действием усадки швеллера; анализировались соответствующие результаты напряженно-дефор- мированного состояния конструкции при рассмотрении различных вариантов граничных условий модели.

Моделирование процесса сборки-сварки под действием термической нагрузки

Данный подход предполагает одновременный нагрев катетов продольного шва с обеих сторон до температуры 300 оС, соответствующей номинальной температуре в процессе остывания шва. При этом рассматривались два варианта граничных условий модели, соответствующих закреплению швеллера на торцах по боковым поверхностям и по верхней грани.

Анализ полученных напряженно-деформируемых состояний конструкции показал, что предпочтительнее первый вариант закрепления швеллера, как дающий меньшие относительные перемещения деталей боковой стенки в процессе сборки-сварки. При первом варианте крепления результирующее перемещение составило 6,911 мм, при втором – 7,379 мм.

Моделирование процесса сборки-сварки под действием усадки швеллера

Данный подход рассматривает в качестве нагрузки величину усадки швеллера, которая происходит в результате его остывания при сборке-сварке стенки.

Задаваясь длиной швеллера L = 1 м, привариваемого к листу, а также режимами сварки: напряжением дуги U = 21 В, силы тока I = 170 А и КПД д                                 св сварки η = 0,8 в соответствии с методикой, изложенной в [2], определяем усадку швеллера: ΔL = 0,054.

Так как сварка швеллера производится с двух сторон, то общая усадка составит 2ΔL и будет равна 0,108 см. Полученное значение задавалось в окне «расширенные крепления» SolidWorks Simulation, что позволило смоделировать усадку швеллера по всей длине.

Рассматривались три варианта граничных условий модели: по боковым сторонам, верхней грани торца и всему торцу. Полученные при этом результаты представлены на рис. 1.

Серия « Естественные и технические науки »

Р и с. 1. Перемещения модели при различных граничных условиях

В ходе проектирования проводилось сравнение полученных результатов напряженно-деформированного состояния

ВЕСТНИК Мордовского университета | Том 25 | № 1 | 2015

Р и с. 2. Деформации боковой стенки при моделировании и опытном изготовлении

При сравнении отмечалась схожесть в волнообразовании. При усадке швеллер стягивал лист. Кроме того, прослеживался подъем одного швеллера вместе с листом относительно других.

модели с деформациями, полученными на ОАО «Рузхиммаш» при опытном изготовлении боковой стенки (рис. 2).

Отличие полученных результатов может быть связано с тем, что при сварке на участке заготовки не закрепляют. При этом в SolidWorks Simulation для расчета необходимо обеспечить кинематическую неизменяемость модели.