挖掘機中燕尾焊縫的有限元分析

王 欣，張愛賓，譚 倫，王文靜，趙日鑫

（大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116023；2.大連益利亞工程機械有限公司，遼寧 大連 116025）

許多工程實例表明，焊縫的性能在很大程度上決定了整體結(jié)構(gòu)的壽命，尤其是對于疲勞機械，因此很多學者開展了焊縫結(jié)構(gòu)形式、焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)等理論與試驗研究，近年來，焊縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也越來越引起重視，如張圣坤等［1］研究了角焊縫的尺寸對應(yīng)力集中系數(shù)的影響規(guī)律，張祥等［2］利用ANSYS軟件分析了焊接接頭結(jié)構(gòu)尺寸對壓力容器筒體與平板封頭連接處應(yīng)力的影響規(guī)律.燕尾焊縫在疲勞機械中應(yīng)用較多，但進行量化分析的不多見，本文將以挖掘機為例，分析燕尾焊縫的應(yīng)力分布及形狀尺寸對焊縫應(yīng)力的量化影響，這將為設(shè)計提供了一定的借鑒.

1焊縫及結(jié)構(gòu)有限元建模

因焊縫的載荷、應(yīng)力、變形與整體結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，考慮內(nèi)力的準確傳遞，本文建立14t挖掘機整機有限元模型，選取應(yīng)力最為集中的、動臂部件上的斗桿缸耳板尾部燕尾焊縫進行分析，如圖1所示.

圖1 帶有耳板尾部焊縫結(jié)構(gòu)的整體有限元模型Fig.1 Whole structural finite element model with weld at the end of the hinge ear inflexion

帶有耳板尾部燕尾焊縫結(jié)構(gòu)整機模型采用可承彎板（shell63）單元建模，網(wǎng)格采用四邊形和三角形單元相結(jié)合來劃分，為了更真實地計算焊縫應(yīng)力水平，局部結(jié)構(gòu)的耳板和焊縫均采用實體單元solid95建模，網(wǎng)格采用四面體單元來劃分，網(wǎng)格也做了進一步的細分，尺寸為5mm左右，局部建模詳見圖2所示，節(jié)點總數(shù)為390 957，單元總數(shù)為286 452.

圖2 結(jié)構(gòu)局部有限元模型Fig.2 Finite element model of local structure

綜合比較了挖掘機各種危險姿態(tài)，選取其中遠距離挖掘作為本模型的計算工況.根據(jù)上述模型，采用的約束條件是在履帶支重輪連接處施加水平面內(nèi)的靜定位移約束，在結(jié)構(gòu)的鉸點處施加耦合約束，挖掘力的水平分力為－64.5kN，垂直分力為5.4kN，以均布載荷的方式施加在鏟斗齒根處的24個節(jié)點上，帶有約束與載荷的有限元模型如圖3所示［3－5］.

圖3 帶有約束與載荷的有限元模型Fig3 Finite element model with loads and constraint

2 焊縫長度對應(yīng)力分布的影響分析

焊縫的長度與耳板尾部剛度有關(guān)，實際上用焊縫長高比來分析對應(yīng)力的影響更為合適.本產(chǎn)品的焊縫高度與長度分別為15mm和30mm，長高比為30/15＝2.在不改變本產(chǎn)品焊縫其他尺寸的基礎(chǔ)上，這里選取長高比分別為1，2，3，4來進行有限元建模.焊縫尺寸示意如圖4所示，其中包含本產(chǎn)品的焊縫尺寸.

對4種不同長高比焊縫進行有限元計算，圖5列舉顯示了長高比為1，4時的不同焊縫的應(yīng)力云圖，圖6為焊縫局部應(yīng)力點位置圖.不同長高比焊縫與蓋板交接處最大應(yīng)力統(tǒng)計見表1.

從圖5，6中看出，焊縫上平面與側(cè)平面交接沿線的應(yīng)力值較大，如果實際對沿線棱邊打磨并圓弧過渡，沿線應(yīng)力會有明顯降低.需要關(guān)注的是焊縫尾部與上蓋板交接沿線的應(yīng)力情況，因為這里往往存在開裂的可能.從圖中可看到，長高比越大，此沿線的應(yīng)力值越小.對其進行應(yīng)力曲線統(tǒng)計，詳見圖7.從圖中看出，隨著長高比越來越大，其應(yīng)力有所降低，但降低幅度在減小.因為長高比增加，焊縫剛度也會隨之增加，抵抗變形能力也在增加，應(yīng)力易于集中，這種應(yīng)力集中體現(xiàn)在焊縫與耳板的拐點處.另外長高比增加，會給焊接工藝帶來較多麻煩.因此長高比不可無限制地增加，長高比為2左右比較合適.

圖4 焊縫的不同長高比示意圖（單位：mm）Fig.4 Diagram of different length height ratio of weld（unit：mm）

圖5 不同長高比的焊縫應(yīng)力云圖Fig.5 Weld stress cloud diagram of different length height ratio

圖6 焊縫局部應(yīng)力點的位置Fig.6 Local stress point’s position of weld

表1 不同長高比焊縫與上蓋板交接處最大應(yīng)力統(tǒng)計Tab.1 Max stress statistics of the connect place of weld and top cover board in the different length height ratio

圖7 不同長高比焊縫與上蓋板交接處沿線應(yīng)力趨勢Fig.7 Stress current along the connect line of weld and top cover board in the different length height ratio

3 焊縫寬度對應(yīng)力分布的影響分析

本產(chǎn)品的耳板厚度為20mm，焊縫尾部寬度為40mm，焊縫寬度比為40/20＝2.在不改變本產(chǎn)品焊縫的其他尺寸的基礎(chǔ)上，只改變寬度比，分別是1，2，3，來分析應(yīng)力情況.焊縫尺寸示意如圖8所示，其中包含本產(chǎn)品的焊縫尺寸.

圖8 焊縫的不同寬度比示意（單位：mm）Fig.8 Weld’s diagram of different width ratio（unit：mm）

三種不同焊縫寬度比有限元計算結(jié)果如圖9所示.從圖中看出，焊縫上平面與側(cè)平面交接沿線的應(yīng)力值較大，如果實際對沿線棱邊打磨并圓弧過渡，沿線應(yīng)力會有明顯降低.需要關(guān)注的是焊縫尾部與上蓋板交接沿線的應(yīng)力情況，因為這里往往存在開裂的可能.從圖中看到，寬度比變化時，對應(yīng)力影響較小，沿線應(yīng)力較為均勻.但寬度比較大時，焊縫與耳板拐點處夾角小，易引起應(yīng)力集中.因此寬度比大于1時，不僅要對棱邊打磨，還要對拐點進行圓弧過渡.

圖9 不同寬度比的焊縫應(yīng)力云圖Fig.9 Weld’s stress cloud of different width ratio

4 焊縫與耳板拐點處的過渡對應(yīng)力分布的影響分析

如果焊縫與耳板的拐點由圓弧過渡來替代，則應(yīng)力會有顯著下降.但在ANSYS分析軟件中，變截面的體倒圓角在劃分網(wǎng)格和計算時容易出現(xiàn)奇異，給計算帶來難度，因此本文采用斜平面過渡方式來建模.斜平面的投影長度和寬度不同，對焊縫應(yīng)力分布有一定影響，焊縫拐點過渡示意如圖10所示，其中包含本產(chǎn)品的焊縫尺寸.

焊縫和耳板拐點處不同斜平面過渡的焊縫有限元計算結(jié)果如圖11所示.

從圖11看出，隨著焊縫與耳板拐點處過渡的尺寸增大，焊縫上平面與側(cè)平面交接的沿線應(yīng)力呈遞減趨勢.表2是對拐點應(yīng)力的統(tǒng)計.顯然拐點處進行過渡對焊縫應(yīng)力是非常有利的.如果對沿線進行打磨，應(yīng)力還會降低.

10 不同焊縫和耳板拐點處過渡示意（單位：mm）Fig.10 Transition place diagram of between different weld and hinge ear inflexion（uint：mm）

圖11 焊縫和耳板拐點處不同過渡的應(yīng)力云圖Fig.11 Stress cloud diagram of different transition place between weld and hinge ear inflexion

表2 焊縫和耳板拐點處不同過渡的焊縫應(yīng)力對比Tab.2 Comparision of weld stress of different transition place between weld and hinge ear inflexion

5 結(jié)論

從本文的計算分析中可以看出，焊縫的長高比、寬度比和拐點過渡對燕尾焊縫應(yīng)力存在一定的影響，起主要影響因素的是焊縫長高比，其次是拐點過渡，最后是寬度比.因此要合理選擇燕尾焊縫長高比與拐點的過渡，長高比與寬度比相互關(guān)聯(lián)，兩者比例要適當，一般長高比取為1.5～2.0時，寬度比也在2左右.但本結(jié)論不能完全覆蓋所有情況，還要具體問題具體分析.此外，必須對燕尾焊縫棱邊打磨（焊縫上平面與側(cè)平面交接的沿線），寬度比大于1時，要對焊縫與耳板拐點進行圓弧過渡.本文以挖掘機為例，對燕尾焊縫的各種影響因素進行計算與分析，為設(shè)計提供了一定的借鑒.

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