挖斗焊接结构不同载荷方式下受力有限元分析

2022-09-09柳岸敏刘国兴马一鸣

电焊机 2022年8期

关键词：受力焊缝工况

柳岸敏，刘国兴，马一鸣，徐杰，樊宇

1.常州信息职业技术学院，江苏常州 213164

2.中国矿业大学材料与物理学院，江苏徐州 221004

0 前言

液压挖掘机是一种常用的工程机械装备，被广泛应用于矿山开采、物料铲装、河道疏通及各类大型基础建设中［1-2］。挖斗作为挖掘机任务执行的主要承载件，也是工作最为频繁的部件之一，在工程应用中常发生结构损坏［3］。

从未来发展趋势来看，工程机械将朝着低能耗、高效率及长寿命的方向发展［4］。随着挖掘机需求量的快速增长，国内外学者不断利用先进技术及方法对其进行结构设计和优化。季鹏［5］等基于ANSYS分析软件，模拟了挖掘机铲斗的焊接过程，并预测了结构件的焊接残余应力。张明松［6］等对挖斗在不同工况下的载荷进行了强度及刚度分析，并根据结果对关键部位进行了优化。殷淑芳［7］等通过将载荷集中加载研究了挖斗在极端应力下的应力响应。Hadi［8］等计算了单独挖掘的理论挖掘力，并对梯形铲斗进行了结构分析。

目前关于挖斗结构的分析研究较多，而对于挖斗焊接结构不同载荷条件下的受力还缺乏较为系统的研究。因此，本文分别应用MSC.Marc和ANSYS Workbench有限元软件，针对某型号挖斗关键焊缝焊接过程和斗齿不同受力方式进行计算与分析，为挖斗焊接结构强度校核以及进一步的优化设计提供理论依据与参考。

1 有限元模型

1.1 建立挖斗关键焊接结构几何模型

挖掘机挖斗主要由支耳组件、左右侧板组件、刃板组件、弧板、角撑板、耐磨条等组成，其中支耳组件作为关键的焊接结构是连接挖斗与斗杆的重要部件。利用UG三维造型软件建立某型号挖斗和支耳关键焊接结构的三维几何模型，如图1所示，图1a为整体挖斗和支耳组件结构几何模型，图1b、1c分别为支耳关键焊接结构和局部焊缝几何模型。

图1 挖斗及其关键焊接结构三维几何模型Fig.1 3D model of bucket and its key welding structure

在力学分析中，将建好的三维几何模型导入ANSYS Workbench软件中，由于导入的模型可能会出现元素尺寸等参数的丢失，因此，需要利用布尔运算将原有对象进行计算后重新编码，以修复模型的部分缺失［9］。

1.2 网格划分

网格划分是有限元前处理工作中的一个关键环节，模型的网格质量直接影响分析结果。有限元软件中提供了多种不同的网格划分方式，如多域扫掠型网格划分法、四面体网格划分法、六面体网格划分法和自动网格划分法等［10］。

根据模型的实际特征，对挖斗不同部件采用不同的网格划分方式，如侧板主要采用四面体网格，加强板多为六面体网格，对直接受到载荷作用的斗齿部位和焊缝区域进行细化处理，以提高计算精度，使求解结果更加准确。划分后的网格模型如图2所示，其中共计739 189个节点和212 260个单元。

图2 有限元网格模型Fig.2 Finite element mesh model

1.3 施加约束条件

结构静力学分析中，施加约束的意义在于模拟结构件在真实环境中的情况，使添加的约束能够消除结构件的刚体位移，同时模型的自由度和所处的真实环境一致［11］。

通过分析挖斗结构在实际作业过程中的真实物理环境，本研究将约束施加在挖斗的铰轴处，即选择图3a中铰轴，施加固定约束；同时选择如图3b中的铰轴，施加液压油缸作用力，其值为271 kN。

图3 施加约束示意Fig.3 Schematic diagram of constraint conditions

2 挖斗支耳关键焊缝焊接过程分析与讨论

挖斗支耳组件各部分通过焊缝连接，共8条主焊缝，如图4所示。鉴于挖斗支耳组件焊缝较多，模型复杂，本文采用专业非线性有限元软件MSC.Marc对支耳焊接过程进行仿真模拟计算分析。

图4 挖斗支耳组件焊缝示意Fig.4 Weld diagram of bucket lug assembly

选用双椭球热源模型，该模型充分体现了焊接过程中热源前端温度变化快而后端温度变化慢的特点，能有效表征电弧焊的熔池形貌。以支耳主焊缝5为例，模拟计算得到的焊缝5焊接完成时刻的温度分布云图如图5所示，为与实际焊丝的填充过程更为吻合，计算过程中通过采用生死单元技术来模拟实际焊缝的填丝过程。随着焊接过程的进行（见图5a），在热传导和对流作用下，焊接输入的热量向熔池四周扩散，因此熔池中心温度最高，而远离熔池中心的区域温度逐渐降低。图5b为所有焊缝焊接完成后模型冷却到400 s时的温度分布云图，由于焊接的先后顺序，在焊缝区向母材区的热传递以及模型向周围环境散热的影响下，支耳整体温度分布并不均匀，且在最后一道焊缝的收弧位置温度最高，这与实际焊接过程相符。

图5 焊接不同时刻的温度场分布云图Fig.5 Nephogram of temperature field distribution at different times of welding

在温度场计算时，将模型熔池及热影响区的温度轮廓与挖斗支耳焊接接头的形貌进行对比，通过不断调整热源模型参数，最终得到与实际匹配的熔池形貌，如图6所示。可以看出，熔池和热影响区大小与实际焊接接头吻合良好，进而验证了本研究所建立的热源模型是合理的，且具有较高精度。

图6 模拟熔池与实际焊接接头对比Fig.6 Comparison between simulated weld pool and actual welded joint

图7为焊后冷却至室温后的纵向残余应力分布云图，图8为沿着焊缝方向（以支耳主焊缝5为例，其他主焊缝的结果类似，这里不再一一给出）的残余应力分布曲线。由图7可知，焊缝及附近热影响区域的残余应力普遍较大，且4条主焊缝（焊缝5～8）上纵向残余应力的峰值均位于焊缝的弧焊段处，结合实际焊接结构现场反馈的失效案例可知，该位置损坏较为频繁。可见，支耳焊接过程中产生的较大残余应力也是造成其易发生早期失效的重要原因。

图7 纵向残余应力分布云图Fig.7 Cloud image of longitudinal residual stress distribution

图8 焊缝5上的残余应力分布曲线Fig.8 Residual stress distribution curve on weld 5

3 挖斗焊接结构受力有限元分析结果与讨论

3.1 齿端不同载荷方式下受力分析

由于挖掘机工作时工况的多样性且受物料不同的影响，作用于挖斗上的载荷是复杂且多变的。在挖掘机的实际工作中，挖斗上各个斗齿的受力工况也是随机的，很多时候载荷可能集中在其中几个斗齿甚至单独某一个斗齿上。针对这种情况，研究不同齿端受力时的结构应力响应时，将载荷施加于齿端面上的情况如图9所示，在此分别考虑：五齿端均匀受力（理想工况）；单齿受力（极端工况），包括左1齿、左2齿、中间齿、右1齿和右2齿5种不同的受力方式；两齿受力时，包括左1、2齿在内的10种不同受力方式；三齿受力，包括左1、2、3齿等4种受力方式；四齿受力时，包括3种受力方式。

图9 齿端受力示意Fig.9 Schematic diagram of tooth end force

挖斗在五齿均匀受力方式下的等效应力与位移云图如图10所示，挖斗最大应力位于左1齿，最大应力值为351.22 MPa，最大变形量6.373 4 mm。

图10 五齿均匀受力时应力和变形云图Fig.10 Stress and deformation nephogram of five teeth under uniform stress

挖斗的强度校核条件为：

式中σlim为材料屈服应力（单位：MPa），斗齿的屈服应力为910 MPa；σcamax为计算得到的挖斗最大应力（单位：MPa）；［S］为材料安全系数。

由强度校核条件可知，五齿均匀受力时斗齿上的安全系数可达2.59。按照机械设计中塑性材料的设计准则，一般安全系数取1.2～2.5，另据起重机械轮轴类设计准则，安全系数一般取1.4～1.6，可见，该型号挖斗结构的安全系数满足静载设计要求。

对挖斗单齿参与受力时的5种极端工况进行受力分析，结果如表1所示。据上文分析，取安全系数为1.4，那么斗齿上的许用应力值为650 MPa。从表1可以看出，在单齿受力的极端工况下，挖斗的最大等效应力与最大变形都位于相应的受力齿上，且所有工况下挖斗的最大应力都超过了许用应力。而在左1或右1齿单独受力时，挖斗的变形情况最为严重。

表1 单齿受力有限元分析结果Table 1 FEA results of single tooth stress

挖斗两齿受力时10种工况下的受力分析结果表明，当受力相对对称分布时斗齿上的最大应力相对较小；而当受力集中偏向某一侧时，挖斗的应力和变形均显著增大。挖斗在三齿及四齿参与受力时的计算结果表明：当外载荷在1、3、5齿对称分布时，挖斗最大应力及变形相较于集中于挖斗边上三齿（如左1、2、3齿和右1、2、3齿）时大幅下降；而四齿参与受力的三种工况下，挖斗最大等效应力均小于许用应力。以上各工况下挖斗结构的最大应力及变形多位于边齿上。

综上分析可知，在外载荷作用下挖斗结构的最大应力与最大变形多位于边齿上，说明该处是结构的薄弱部位易发生损坏，该结果与挖斗实际工作时现场发生失效的反馈结果一致，同时与文献［12］报道结果相吻合。此外，挖斗各个斗齿相对对称受力时，结构的应力及变形较低，而当外载荷集中于少数齿或受力偏向某一侧时，斗齿上的最大应力急剧增大。因此，在挖斗结构设计时，可以考虑通过采用新型材料或增加材料的用量等局部强化手段来提高边齿区域的结构强度；而对于受力相对较小的部位如侧板和底板等，则可以适当降低材料等级或适量减薄板厚，在保证挖斗满足使用强度的同时最大限度地节约制造成本。

3.2 齿端面不同压力下的受力分析

为了便于比较分析挖斗在不同大小载荷作用下的结构应力及变形情况，通过在齿端面施加不同的压力（如25～125 MPa），对同一压力、不同工况下的应力大小及分布情况进行比较，探讨其应力分布规律及在实际挖掘过程中压力大小对挖斗结构的影响，结果如图11、图12所示。

分析图11、图12可知，各工况下挖斗的最大应力及变形均随压力的增加而显著增大。在压力较小时，各工况下的应力及变形的差距非常小。随着压力的增大，不同工况下的差别明显增加。

图11 齿端不同压力下挖斗的受力分析Fig.11 Stress analysis of bucket under different pressure of tooth end

图12 齿端不同压力下挖斗的变形分析Fig.12 Deformation analysis of bucket under different pressure of tooth end

此外，当压力越集中于少数斗齿或斗齿受力越不对称时，挖斗的应力及变形增长速率会越大，且明显高于五齿均匀受力情况，如单独的左1齿或右1齿受力时，其在较大压力下的应力及变形显著大于其余工况。

综上结果表明，挖斗最大变形量与等效应力的分布与挖斗实际作业过程中的工况有关，本模型计算结果与实际失效案例的反馈结果相吻合［13］，表明本研究中力学模型及有限元计算结果合理可靠。此外，偏载工况下齿端所受应力与变形随压力的增大增长较快，易导致受力薄弱区发生早期失效与断裂，因此，在挖掘机作业时应特别注意避免偏载对结构造成的影响。