不同结构形式箱形框架疲劳寿命研究

孟大伟

摘  要：箱形框架结构在机械行业中应用广泛，不同形式框架结构对外载荷承载能力不同。以三种箱形框架为对象，分别研究其在同种载荷作用下的抗疲劳性能，并对结构的疲劳寿命进行对比分析，总结得出，3种框架结构疲劳强度依次为模型3最大，模型1次之，模型2最小。模型1的上侧焊接接头焊根处为疲劳易破坏位置，模型2的下侧焊接接头焊喉处为疲劳易破坏位置，模型3的焊接接头焊趾处为疲劳易破坏位置。该疲劳寿命分析预测方法，计算精度高，适用范围广，对复杂焊接结构的疲劳寿命预测有重要意义。

关键词：框架结构;焊接;疲劳分析

中图分类号：TG405 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）30-0107-04

Abstract： Box frame structures are widely used in machinery industry. The external load bearing capacity of different forms of frame structure is different. Taking three kinds of box frame as the object， the anti-fatigue performance under the same load is studied respectively， and the fatigue life of the structure is compared and analyzed. It is concluded that， the fatigue strength of three kinds of frame structures is the largest in Model3， followed by Model1 and Model2. The upper weld root of Model1 is the position where it is easy to be damaged; the lower weld throat of Model2 is the position where it is easy to be damaged; and the weld toe of Model3 is the position where it is easy to be damaged. The fatigue analysis and prediction method has high calculation accuracy and wide application range， which is of great significance to the fatigue life prediction of complex welded structures.

Keywords： frame structure; welding; fatigue analysis

框架结构作为典型焊接结构，是大型承载设备的重要工作单元，对设备承载能力和工作稳定性有重要影响。焊接作为连接板材的关键技术，是引起几何不连续、材料性能突变及应力集中的原因，在外加随机载荷往复循环作用下，极易产生不可逆的疲劳破坏[1]。对于焊接结构设计，并不能仅关注结构的静强度安全设计要求，对结构件焊接接头疲劳强度的校核也应当作为整体设计的一部分[2]。

马月[3]等采用结构应力法，对起重机桁架结构的焊缝疲劳寿命进行评估。李震等[4-5]基于等效结构应力理论，利用有限元分析软件分析得到焊縫疲劳寿命云图，进而对结构的疲劳强度进行分析。

本文以Dassault相关仿真分析软件为基础，对承载性框架结构进行静载和动载有限元分析，预测结构的疲劳寿命及可能破坏的位置，目的是提出一种新的更高效的焊接结构疲劳寿命预测分析方法，保证在结构设计阶段就可对结构的疲劳强度进行校核，为焊接结构的设计和校核提供便利和参考。

1 焊接结构疲劳预测步骤

焊接结构的疲劳破坏通常会在高应力的焊接接头位置发生，焊接结构疲劳仿真技术，可以在设计阶段对焊接结构疲劳寿命进行预测分析，指导关键焊接结构接头细节的设计，缩短从设计到制造及使用阶段的反馈周期，提高设计科学性和严谨性。

首先建立不同结构形式箱形框架三维模型，并对模型进行网格划分，将焊缝与板材接触部分设置节点耦合。其次对焊接接头进行焊趾、焊喉和焊根设置SET分析组件，并设置材料属性、拘束及外加载荷等条件。利用Abaqus软件对模型进行静力计算，对静力计算结果符合要求的模型，导入Fe-safe软件，设置疲劳寿命分析条件，并进行结构疲劳强度分析，确定焊接接头较易破坏位置。

2 框架结构疲劳强度分析

2.1 框架结构有限元模型的建立

针对箱形框架结构，分别建立如图1所示的三种有限元模型。为保证模型仿真计算的可对比性，所有框架结构的横截面积基本相同，模型板材厚度均为10mm，焊脚尺寸为8mm，三个模型的相关参数见表1。

2.2 模型边界条件

针对长直形框架结构，为了保证结构的平面度，防止焊接后出现挠曲、扭曲及波浪变形等缺陷，框架结构生产过程中要在保证结构使用强度及刚度等要求的基础上，尽可能减小热输入以便控制焊接变形。

如图2所示为框架结构有限元模型所受边界条件图，其中，以模型1为例对模型约束及受力状态为例进行说明，框架结构通常都是在有一定倾角的条件下进行工作的，本文框架模型位于45°倾斜向上状态，框架一侧端面施加固定约束，另一侧端面节点建立RBE3组件，将端面节点等效到截面中心一个点，在该等效中心点上施加外力，方向垂直向下，大小F=50kN，这样等效设置箱形框架所受外力状态基本与实际情况相近。模型2和模型3采用与模型1相同的边界条件。

由于焊接过程通常会控制热输入，焊接接头只能部分熔透，如图2（d）所示为模型1立板和盖板处焊缝的节点耦合情况，两板与焊缝接触位置均设置为节点耦合，两板内侧非与焊缝接触位置设置为非节点耦合，这样能更好地仿真框架结构实际生产过程。

2.3 模型静力分析结果

框架结构的静力分析结果如图3所示，从图中可以看出，模型1的残余应力为231.0MPa，模型2的残余应力249.3MPa，模型3的残余应力为253.7MPa，三个模型的残余应力依次增大，但是增大的幅度较小。在外加载荷的作用下，模型均出现一定程度的屈曲变形。

图中三个模型均出现上下部分残余应力较大，而中间部分残余应力较小，说明结构在承受外力时，上下部分受力较大，该处焊缝受力也同样较大，在疲劳外力往复循环时，模型端部焊缝为易破坏位置。针对此种端部残余应力较大的框架结构，应考虑对端部焊接接头进行形状设计，例如适当增大端部焊接接头的尺寸，或者端部焊缝采用环焊或者全熔透处理方法，增强端部焊接接头强度，提高承载能力。

2.4 疲劳仿真前处理设置

对完成静力分析的有限元模型，进行疲劳寿命仿真分析前处理设置，如图4为模型1的疲劳寿命分析组件，其中对模型焊接接头疲劳寿命分析主要涉及接头焊根组件、焊喉组件和焊趾组件，在外加循环载荷的作用下，仿真分析这三部分的疲劳循环寿命，即可对整个框架结构的疲劳寿命做出分析。由于三种框架结构模型均为对称模型，故对同一侧的接头进行疲劳寿命分析即可。同理，对模型2和模型3进行同样的仿真分析组件。

2.5 疲劳仿真预测结果

利用Fe-safe软件对完成疲劳寿命分析前处理设置的模型分别进行疲劳寿命仿真计算，结果分别如图5所示。云图中方框位置为疲劳寿命较低位置，从疲劳寿命结果云图中可以看出，模型1的上焊接接头和下焊接接头焊根位置疲劳寿命均较低，模型2的上焊接接头和下焊接接头各部分的疲劳寿命均较低，模型3的焊接接头焊趾位置疲劳寿命较低。

不同模型疲劳寿命循环次数见表2所示，针对模型1，其上侧焊接接头焊根位置疲劳寿命为4.000E6，与接头的其他位置疲劳寿命循环次数差别较大，为疲劳易破坏位置，在外加载荷作用下，箱形框架1的上侧焊接接头位置易发生疲劳破坏。针对模型2，其下侧焊接接头焊喉位置疲劳寿命最低，为3.95E6，且与其余位置疲劳寿命循环次数差别不大，均低于其他两模型，模型2在承受垂直向下外加载荷时，下侧焊缝焊喉易发生疲劳破坏，表明在焊接生产中，8mm焊脚尺寸并不能有效提高模型2的疲劳强度。针对该种结构应适当增加焊脚尺寸，其次模型2并不适合承载该种载荷。针对模型3，其焊接接头焊趾位置疲劳寿命较低，为4.29E6，为疲劳易破坏位置。

对三种模型疲劳强度进行对比分析，模型3的结构形式抗疲劳性能较强，模型1次之，模型2最差。

3 结论

本文针对不同结构形式箱形框架，分别研究其在不同外加载荷作用下的静强度及疲劳寿命，得到以下结论：

（1）基于本文所施加的载荷，3种框架结构疲劳强度依次为模型3最大，模型1次之，模型2最小。

（2）模型1的疲劳循环易破坏位置为上侧焊接接头焊根位置，循环次数为4.00E6，模型2的疲劳循环易破坏位置为下侧焊接接头焊喉位置，循环次数为3.95E6，模型3的疲劳循环易破坏位置为焊接接头焊趾位置，循环次数为4.29E6。模型2接头焊喉疲劳寿命较低，表明8mm焊脚尺寸对于框架结构2偏小，应适当增加焊脚尺寸，提高结构强度。

（3）该疲劳寿命分析预测方法，计算精度高，适用范围广，对复杂焊接结构的疲劳寿命预测具有重要意义。

參考文献：

[1]Dong P，Hong J K，Cao Z. A mesh-insensitivity structural stress procedure for fatigue evaluation of welded structures[C]. Paris： International Institute of Welding，2001.

[2]王剑，兆文忠.基于结构应力法的焊接结构优化设计[J].大连海事大学学报，2011（02）：127-129+133.

[3]马月，钟福建，虞卓力，等.基于结构应力法的起重机桁架焊缝疲劳寿命评估[J].机电工程技术，2020，48（11）：208-211.

[4]李震.轻量化桥式起重机主梁焊缝疲劳寿命研究[D].大连理工大学，2014.

[5]王兴路.焊接结构件疲劳分析方法及在塔机起重臂上的应用研究[D].西安建筑科技大学，2013.