吳　躍，周曉華

(西南自動化研究所，四川 綿陽　621000)

?

【機(jī)械制造與檢測技術(shù)】

基于ABAQUS的壓腳機(jī)構(gòu)焊縫應(yīng)力集中的仿真分析

吳躍，周曉華

(西南自動化研究所，四川 綿陽621000)

某壓腳由焊接組成，工作時處于惡劣的載荷環(huán)境中。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證的需求，導(dǎo)致在調(diào)試和實(shí)際使用過程中受力壓腳焊接處出現(xiàn)裂紋及斷裂。利用Abaqus有限元分析軟件，對壓腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜載荷應(yīng)力分析，動載荷諧響應(yīng)分析，對壓腳應(yīng)力集中部位進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得出了壓腳斷裂的主要原因是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的結(jié)論，研究了焊接部位的應(yīng)力集中的情況以及產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因。

有限元；ABAQUS；壓腳結(jié)構(gòu)；應(yīng)力集中；諧響應(yīng)分析

焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中是工程領(lǐng)域中常見的問題，在一定條件下可能將導(dǎo)致焊縫裂紋、斷裂，引發(fā)嚴(yán)重的事故。由西南自動化研究所研制的某型數(shù)控剁齒機(jī)是國內(nèi)第一種銼刀紋類智能加工設(shè)備，在初樣機(jī)調(diào)試過程中，出現(xiàn)了壓腳焊縫開裂，壓腳斷裂。無論從理論還是實(shí)踐角度來看，焊縫的應(yīng)力集中都是一個復(fù)雜的多因素耦合過程，既與焊縫的焊接形式、結(jié)構(gòu)的急劇變化程度相關(guān)，還與焊縫工藝缺陷因素相關(guān)。處理焊縫應(yīng)力集中問題時,傳統(tǒng)的方法只能基于焊縫的形式通過應(yīng)力集中系數(shù)算法對焊接部位做初步的強(qiáng)度校核,無法反映由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)造、焊接工藝不良等因素產(chǎn)生的額外應(yīng)力。隨著數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，通過建立有限元模型[1]進(jìn)行仿真已經(jīng)成為解決工程問題的一種可行的辦法。國內(nèi)已有研究者開展了有限元(FEA)方法在焊接應(yīng)力集中領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)研究[2-3]。一部分研究者在細(xì)分工程領(lǐng)域開展了類似研究，例如李世銘，譚越，王春升使用ABAQUS對管道焊縫應(yīng)力集中進(jìn)行了分析和研究[4]，魏康，何柏林使用ABAQUS對轉(zhuǎn)向架十字焊接頭應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了分析[5]。本文將基于ABAQUS[6]對壓腳機(jī)構(gòu)焊縫應(yīng)力集中進(jìn)行研究，準(zhǔn)確得到焊縫周圍應(yīng)力分布情況，預(yù)測受動態(tài)載荷時的響應(yīng)狀態(tài)，為類似焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1　壓腳機(jī)構(gòu)受力特點(diǎn)

壓腳機(jī)構(gòu)的模型如圖1(左)所示。壓腳[圖1(右)]由壓腳桿部、壓腳底部焊接組成(圖2)，承受著剁刀的循環(huán)沖擊載荷和推力氣缸的壓緊載荷，是整個剁齒機(jī)中受力較為復(fù)雜的系統(tǒng)。壓腳機(jī)構(gòu)由固定部分和運(yùn)動部分組成，壓腳安裝在圖中運(yùn)動部分的右下角位置。壓腳工作時，由固定在機(jī)床上的氣缸推動壓腳運(yùn)動部分向下運(yùn)動，并由壓腳壓緊并固定銼刀。

圖1　壓腳機(jī)構(gòu)(左)與壓腳(右)

圖2　壓腳焊接方式

壓腳由柄部與壓腳底部組成，在壓腳柄部圓柱根部開坡口后整圈焊接連接，焊縫寬度為3mm。壓腳柄部材料為合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr，整體淬火30～35HRC；壓腳底部為高速工具鋼W12Cr4V5Co5，整體淬火62～65HRC。壓腳工作時，主要受到兩個方面的載荷。

1.1由氣缸產(chǎn)生靜載荷

如圖1所示，壓腳機(jī)構(gòu)上方設(shè)置了缸徑為125mm的氣缸，在0.4～0.5MPa工作氣體環(huán)境下向壓腳提供約 5 000～6 000N的緊固力，并最終將該力傳遞在銼刀上。對壓腳單獨(dú)進(jìn)行分析，壓腳柄部由水平支撐桿固定，壓腳底部與銼刀接觸部位受到方向向上的大小為5 000～6 000N的反作用力F。壓腳柄部圓柱中心線與平面呈70°夾角，因此銼刀對壓腳的反作用力使壓腳產(chǎn)生彎曲的傾向，并使壓腳柄部與壓腳底部的接觸部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。壓腳靜載荷受力示意圖如圖3所示。

圖3　壓腳靜載荷受力模型

1.2由剁刀產(chǎn)生的動載荷

銼刀齒紋是由剁刀及其附屬機(jī)構(gòu)在重力及預(yù)置彈簧力的作用下產(chǎn)生向銼刀表面的沖量，在銼刀上沖擊形成。沖擊能量表示為：

式中： α為銼刀齒紋能量吸收系數(shù)； fh為剁刀剁入深度為h時對銼刀的力； fg為剁刀及其附屬機(jī)構(gòu)沿剁入方向的重力分力； fk為預(yù)置彈簧力；s為剁刀及其附屬機(jī)構(gòu)沖程。剁刀齒口為錐形截面， fh隨剁入深度線性增長。根據(jù)上式，可估算出沖擊載荷約為20 000N。

在銼刀加工主齒紋時，該力以500～800/min的頻率沖擊銼刀。銼刀在受到擠壓變形后，會向壓腳傳遞一個方向?yàn)榇怪庇谒矫?，頻率與剁刀頻率相同的激振力。由于壓腳機(jī)構(gòu)的活動部分在水平方向受到約束，剛度大，在垂直方向上剛度較低，在受到同方向的激振力后產(chǎn)生一定的諧振動相應(yīng)。

2　壓腳結(jié)構(gòu)靜態(tài)響應(yīng)分析

2.1有限元模型

壓腳有限元模型由3部分組成，分別是壓腳柄部、壓腳根部與焊縫。壓腳柄部與根部接觸部位為面接觸。焊縫與壓腳柄部與壓腳底部互相融合。

網(wǎng)格采用ANSA軟件劃分，如圖4所示，上圖為焊縫網(wǎng)格，下圖為壓腳柄部、底部與焊縫交界處的網(wǎng)格。壓腳焊縫周圍網(wǎng)格采用近似長方體網(wǎng)格，網(wǎng)格密度與網(wǎng)格品質(zhì)均較高。

為簡化模型，省略壓腳機(jī)構(gòu)其他部件，單獨(dú)對壓腳進(jìn)行分析。設(shè)置壓腳柄部與壓腳機(jī)構(gòu)配合面為固定約束，在壓腳底部與銼刀接觸面設(shè)置方向朝上，大小為6 000N的反作用力。

圖4　焊縫網(wǎng)格(上)與壓腳網(wǎng)格(下)

2.2分析結(jié)果

焊縫處的應(yīng)力云圖如圖5。

圖5　焊接部位Mises應(yīng)力云圖

分析結(jié)果顯示，在焊縫表面出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位為如圖6所示的4個點(diǎn)。由于壓腳的結(jié)構(gòu)不對稱，壓銼刀的位置在偏向柄部一側(cè)，導(dǎo)致壓腳受到的壓力集中在該側(cè)，1處應(yīng)力值明顯高于其他3處。

圖6　焊縫應(yīng)力集中部位

應(yīng)力部位Mises應(yīng)力/MPa應(yīng)力部位Mises應(yīng)力/MPa1427325722184194

另外，在與焊縫表面應(yīng)力最大的位置相對應(yīng)的，壓腳柄部、壓腳底部接觸面與焊縫的交接處產(chǎn)生了更為明顯的應(yīng)力集中，應(yīng)力大小為497MPa。

2.3強(qiáng)度校核

焊接材料選用MG600，該材料是一種通用性極廣，高效率，強(qiáng)度高，抗裂性理想的材料，可用于高速工具鋼焊接，屈服強(qiáng)度為710MPa。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊及相關(guān)資料說明，取安全系數(shù)為2，焊接許用應(yīng)力為[7]：

壓腳底部材料為高速工具鋼W12Cr4V5Co5，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，根據(jù)表面硬度推算出材料的屈服強(qiáng)度約為850MPa，取安全系數(shù)為2，許用應(yīng)力為：

表2　強(qiáng)度校核

強(qiáng)度校核結(jié)果顯示，焊縫表面的最大強(qiáng)度與焊縫交界面的最大強(qiáng)度值均超過了許用應(yīng)力。不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分析結(jié)果表明焊接位置是壓腳強(qiáng)度最薄弱的點(diǎn)，需要對該部位進(jìn)行加強(qiáng)。

采用兩種方法對壓腳結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)：

方案1：于壓腳柄部與底部接觸面之間設(shè)置M12螺紋連接結(jié)構(gòu)。壓腳柄部的圓柱伸出長度為5mm，如圖7所示。這種方案和原方案類似，加工成本接近，能在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

圖7　方案1示意圖

方案2：將壓腳整體進(jìn)行加工制造，由毛坯經(jīng)去除材料的方式加工，柄部與底部連為一體，并在連接處倒圓角R3。這種方案需要切削大量的金屬材料，成本高，加工時間長，但是對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升大。

運(yùn)用ABAQUS對兩種優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算。為了簡化螺紋連接結(jié)構(gòu)，內(nèi)螺紋和外螺紋兩個面直接用TIE形式連接。施加的邊界條件與原方案相同。經(jīng)計(jì)算，得到的應(yīng)力分布如表3、表4所示。

表3　焊縫(倒角)表面優(yōu)化結(jié)果與校核

表4　交界處優(yōu)化結(jié)果與校核

結(jié)果顯示，通過螺紋連接的方式，壓腳柄部與底部接觸面與焊縫交界處受力情況得到一定的改善，應(yīng)力從497MPa降為279MPa，降低幅度達(dá)到43.9%，滿足許用應(yīng)力要求。但焊縫表面應(yīng)力情況改善情況有限，最大應(yīng)力降低幅度僅15.2%，為352MPa，未達(dá)到許用應(yīng)力要求。

通過整體制造的方法將柄部與底部之間的結(jié)合面的危險源消除，并將焊接結(jié)構(gòu)變?yōu)橐话愕牡菇墙Y(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力降為273MPa，與原方案相比降低幅度為36.1%，同時將許用應(yīng)力提高為355MPa，符合強(qiáng)度校核要求。

3　壓腳機(jī)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析

壓腳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件眾多，同時，底部銼刀墊放在柔軟的鋁制墊片上，頂部有回復(fù)彈簧支撐，邊界條件復(fù)雜。有限元技術(shù)能對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的動態(tài)響應(yīng)分析[8-10]，本文運(yùn)用ABAQUS的諧響應(yīng)分析模塊對壓腳機(jī)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析。

3.1有限元模型

取壓腳機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動部分，銼刀及底部墊片，構(gòu)建壓腳機(jī)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)模型。由于接觸分析對運(yùn)算性能要求較高[8]，容易造成計(jì)算不收斂，需要在保證計(jì)算精度的條件下，盡量優(yōu)化模型，減少網(wǎng)格數(shù)量。壓腳的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)零件眾多，形狀復(fù)雜。由于該部位位于壓腳機(jī)構(gòu)外緣，不承載載荷，可視為壓腳機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動部分的負(fù)載，按照整體質(zhì)量和重心位置，與底部壓塊集成簡化為一件。動態(tài)響應(yīng)分析模型如圖8所示。

圖8　動態(tài)響應(yīng)分析模型(左)與接觸部位網(wǎng)格(右)

對模型設(shè)置直接諧響應(yīng)分析步(Steady-statedynamics,direct)。該型數(shù)控剁齒機(jī)剁刀的沖擊頻率為500～800/min。相對應(yīng)的，在剁刀沖擊部位銼刀的部位設(shè)置頻率掃描范圍為8～15Hz的激振力。壓腳底部與銼刀面接觸，接觸部位網(wǎng)格細(xì)分。為模擬銼刀傳遞剁刀力的效果，僅限制銼刀頂部沿銼刀長度方向的位移，并設(shè)置銼刀與底部鋁制墊片的接觸條件，以此限制銼刀沿上下方向位移。

3.2模態(tài)分析

因激振力頻率較低，高階模態(tài)響應(yīng)應(yīng)力低，對結(jié)構(gòu)影響不大，僅取前10階模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

最低頻率為177.06Hz，振動方向與激振力方向一致，是最危險的模態(tài)。激振力頻率約為8～14Hz，遠(yuǎn)低于系統(tǒng)固有頻率，共振危險度低。

表5　模態(tài)分析結(jié)果

3.3諧響應(yīng)分析

壓腳焊縫處最大響應(yīng)應(yīng)力與激振頻率之間的關(guān)系如圖9所示。激振頻率為8Hz時，響應(yīng)應(yīng)力為5.927MPa；激振頻率為15Hz時，響應(yīng)應(yīng)力為5.925MPa。在8～15Hz激振力頻率范圍內(nèi)，響應(yīng)應(yīng)力幾乎保持恒定值，約5.93MPa。根據(jù)手冊可知，焊縫壓縮疲勞極限許用應(yīng)力為：

焊縫最大響應(yīng)應(yīng)力5.93MPa遠(yuǎn)小于許用疲勞應(yīng)力513MPa，可認(rèn)為剁刀激振力對壓腳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響微弱。

圖9　壓腳焊縫動態(tài)響應(yīng)應(yīng)力

4　結(jié)論

本文通過對壓腳機(jī)構(gòu)焊縫應(yīng)力集中部位的有限元分析，得到了焊縫受動、靜載荷應(yīng)力分布情況，得出了壓腳斷裂的主要原因是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的結(jié)論，并提出了壓腳優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，驗(yàn)證了強(qiáng)度。因此，本文使得有限元方法能夠有效、準(zhǔn)確地預(yù)測焊縫應(yīng)力集中的分布情況，為類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

[1]馮果忱，鄶繼福.有限元模型綜述——各類模型的力學(xué)背景及其有關(guān)數(shù)學(xué)問題[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),1980(1):123-137.

[2]張毅，黃小平，崔維成，等.對接接頭焊趾應(yīng)力集中有限元分析[J].船舶力學(xué),2004,8(5):91-99.

[3]武奇,邱惠清,王偉生.基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊接接頭疲勞分析[J].廣州：焊接學(xué)報(bào)，2009,30(3):101-105.

[4]李世銘，譚越，王春升.基于ABAQUS的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)研究[J].上海：中國海洋平臺，2015,30(3):95-100.

[5]魏康，何柏林.基于ABAQUS的轉(zhuǎn)向架十字焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)分析[J].寧波：兵器材料科學(xué)與工程，2016 (1):41-44.

[6]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[7]王文斌，林忠欣，嚴(yán)攜琪,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[8]孫松林，王德信，謝能剛.接觸問題有限元分析方法綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2001,21(3):18-20.

[9]柴山，呂鳳軍，孫義岡，等.計(jì)算汽輪機(jī)葉片動應(yīng)力的諧響應(yīng)分析法[J].汽輪機(jī)技術(shù),2002,44(5):267-268.

[10]劉志威，李航，劉麗麗.基于ABAQUS的三軸立式鏜銑加工中心動態(tài)特征分析[J].機(jī)床與液壓,2015,43(9):117-119.

(責(zé)任編輯唐定國)

SimulationAnalysisofStressConcentrationatWeldJointinPresserFootMechanismBasedonABAQUS

WUYue,ZHOUXiao-hua

(SouthwestAutomationResearchInstitute,Mianyang621000,China)

Apresserfootwascomposedbyweldingandcarryingacomplexenvironmentloadswhenworking.Traditionaldesignmethodscannotmeettheneedofstructuralstrengthrequirement.Thishasleadtoanumberofaccidentsofpresserfootbrokenattheweldingarea.ThefiniteelementanalysissoftwareAbaquswasusedtoanalyzethestressresponseofstaticanddynamicloadsofthepresserfoot.Bythenumericalanalysisofthestressconcentrateposition,thispaperstudiedthestressconcentratedistributionofthepresserfootandexpoundedthereasonsitgenerated.

finiteelementanalysis;ABAQUS;presserfootmechanism;stressconcentration;harmonicresponseanalysis

2016-04-10；

2016-04-28

吳躍(1990—)，男，助理工程師，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

10.11809/scbgxb2016.09.029

format:WUYue,ZHOUXiao-hua.SimulationAnalysisofStressConcentrationatWeldJointinPresserFootMechanismBasedonABAQUS[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):123-127.

TH164

A

2096-2304(2016)09-0123-05

本文引用格式：吳躍，周曉華.基于ABAQUS的壓腳機(jī)構(gòu)焊縫應(yīng)力集中的仿真分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):123-127.