攪拌摩擦焊構(gòu)架強(qiáng)度與疲勞分析*

□ 李權(quán)?！?王洪昆□ 周素霞□ 徐 鵬□ 張 軍

1.神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)任公司 北京100011

2.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院

城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100044

1 分析背景

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的專利焊接技術(shù)，主要應(yīng)用于軌道車輛車體的焊補(bǔ)［1］。攪拌摩擦焊構(gòu)架作為整個(gè)焊接裝置中的關(guān)鍵部件，主要起承載裝置質(zhì)量和工作中產(chǎn)生的作用力的作用，確保攪拌頭焊接精度。若攪拌摩擦焊構(gòu)架因強(qiáng)度不足而發(fā)生變形，則會(huì)影響焊接精度，甚至導(dǎo)致焊接工作無法順利進(jìn)行，所以有必要對攪拌摩擦焊構(gòu)架進(jìn)行強(qiáng)度分析和疲勞壽命分析。

徐效東［2］對攪拌摩擦焊搭接接頭的組織特征及疲勞斷裂行為進(jìn)行了詳細(xì)研究。曹麗杰［3］闡述了國內(nèi)外對鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞斷裂行為的研究進(jìn)展，包括鋁合金攪拌摩擦焊接頭的應(yīng)力疲勞分析和應(yīng)變疲勞分析，微結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、表面處理對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，焊接缺陷對疲勞斷裂行為的影響。

筆者以攪拌摩擦焊構(gòu)架為研究對象，基于有限元分析方法，利用SolidWorks軟件建立構(gòu)架模型。采用HyperMesh軟件對構(gòu)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立離散單元模型。應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件按照構(gòu)架實(shí)際載荷情況，對構(gòu)架進(jìn)行仿真分析，計(jì)算分析構(gòu)架靜強(qiáng)度，以及構(gòu)架結(jié)構(gòu)中的薄弱部位。對攪拌摩擦焊構(gòu)架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，驗(yàn)證構(gòu)架結(jié)構(gòu)是否合理及滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求［4］。

2 構(gòu)架模型簡介

2.1 構(gòu)架結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

攪拌摩擦焊構(gòu)架整體主要由Z軸構(gòu)架、X軸構(gòu)架，以及連接部件組成，構(gòu)架整體及工作狀態(tài)如圖1、圖2所示。Z軸構(gòu)架尺寸為1 192 mm×1 294 mm×713.6 mm，材料為6063-T5鋁合金型材，質(zhì)量為240 kg。X軸構(gòu)架尺寸為3 900 mm×1 642 mm×100 mm，材料為6063-T5鋁合金型材，質(zhì)量為360 kg，Z軸構(gòu)架可以在X軸構(gòu)架導(dǎo)軌上移動(dòng)，以保證裝置的焊接精度，兩構(gòu)架間采用滑塊和滑塊墊板連接，鋁合金型材連接件采用直角件，連接部分滑塊實(shí)體如圖3所示。構(gòu)架材料相關(guān)屬性見表1。

2.2 構(gòu)架有限元模型

筆者應(yīng)用SolidWork三維實(shí)體建模軟件對構(gòu)架各部件進(jìn)行建模裝配，建立起完整構(gòu)架實(shí)體模型，然后采用HyperMesh軟件對構(gòu)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，筆者采用六面體線性完全積分單元和四面體線性單元這兩種網(wǎng)格類型對構(gòu)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)各部件相關(guān)尺寸，對主要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，可準(zhǔn)確反映出應(yīng)力狀態(tài)［5-7］。對其它一些部件采用簡單拉伸方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。構(gòu)架整體劃分單元數(shù)為431 243，節(jié)點(diǎn)數(shù)為577 359。構(gòu)架網(wǎng)格模型如圖4所示。

▲圖1 構(gòu)架整體

▲圖2 構(gòu)架工作狀態(tài)

▲圖3 構(gòu)架連接部分滑塊實(shí)體

▲圖4 構(gòu)架網(wǎng)格模型

表1 構(gòu)架材料屬性模型

3 載荷及邊界條件

3.1 實(shí)際靜載荷工況

實(shí)際靜載荷工況是指在實(shí)際工作情況下構(gòu)架所受的載荷，用來驗(yàn)證構(gòu)架在工作時(shí)是否有發(fā)生變形及破壞的危險(xiǎn)。根據(jù)構(gòu)架相關(guān)部件參數(shù)，創(chuàng)建載荷工況，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 構(gòu)架相關(guān)參數(shù)表

按上述相關(guān)構(gòu)架質(zhì)量參數(shù)，得出構(gòu)架主要受力如下。

（1）垂 向 載荷F1，主要是來自攪拌摩擦焊構(gòu)架自身，作用于構(gòu)架上。

式中：g為重力加速度。

（2）縱向載荷F2，主要來自構(gòu)架受到被焊件的反作用力，作用于Z軸構(gòu)架上。

F2=3 000 N

（3）其它載荷F3，主要來自于Z軸構(gòu)架上其它裝置的質(zhì)量，沿著Z軸正方向，作用于Z軸構(gòu)架上。

3.2 設(shè)置邊界條件及加載

筆者采用ABAQUS有限元分析軟件按構(gòu)架實(shí)際工作情況對構(gòu)架進(jìn)行邊界條件，以及載荷的設(shè)置，加載步驟如下：

（1）在屬性步中定義材料密度、彈性模量和泊松比，數(shù)據(jù)見表1。

（2）選擇分析步。由于是對構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，所以采用分析步中“通用-靜力通用”，然后設(shè)置時(shí)間增量，便于計(jì)算收斂。

（3）施加邊界條件。根據(jù)構(gòu)架實(shí)際情況對攪拌摩擦焊構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真計(jì)算，對構(gòu)架上下夾鉗處進(jìn)行完全約束。

（4）加載。按實(shí)際情況對構(gòu)架進(jìn)行加載，具體情況如圖5所示。

4 構(gòu)架強(qiáng)度分析

4.1 強(qiáng)度分析

根據(jù)上述約束與加載對攪拌摩擦焊構(gòu)架進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，得出等效應(yīng)力，對構(gòu)架進(jìn)行評價(jià)，找出構(gòu)架薄弱部位。

構(gòu)架整體應(yīng)力分布如圖6、圖7所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出滑塊等效應(yīng)力最大為80.91 MPa。原因是構(gòu)架受到豎直、縱向和其它載荷影響，并且維持裝置平穩(wěn)工作，所以滑塊載荷較大。鋁合金構(gòu)架材料的屈服極限為160 MPa，大于計(jì)算得出的構(gòu)架整體最大應(yīng)力，因此這一攪拌摩擦焊構(gòu)架滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

▲圖5 構(gòu)架加載示意圖

4.2 疲勞分析

疲勞是結(jié)構(gòu)在承受低于其極限載荷的反復(fù)作用下而發(fā)生破壞的現(xiàn)象，構(gòu)架應(yīng)力集中部位即最大應(yīng)力滑塊處是影響其疲勞壽命的關(guān)鍵部位，也是疲勞分析的重點(diǎn)部位［8-10］。筆者采用靜載荷計(jì)算，與強(qiáng)度分析不同的是疲勞壽命分析需通過最大（第一）和最小（第三）主應(yīng)力計(jì)算得出［11-12］，根據(jù)如圖8、圖9所示有限元計(jì)算結(jié)果，提取滑塊應(yīng)力集中點(diǎn)處的第一主應(yīng)力為95.52 MPa，第三主應(yīng)力為8.681 MPa。根據(jù)疲勞應(yīng)力理論，求解其循環(huán)應(yīng)力與平均應(yīng)力，通過等壽命轉(zhuǎn)化，將工作應(yīng)力水平轉(zhuǎn)化為對稱循環(huán)下的應(yīng)力水平，最終求解其疲勞壽命。將計(jì)算得出的第一與第三主應(yīng)力代入下列公式，求得循環(huán)應(yīng)力幅與平均應(yīng)力。

▲圖6 構(gòu)架應(yīng)力分布圖

▲圖7 滑塊應(yīng)力云圖

▲圖8 滑塊第一主應(yīng)力云圖

▲圖9 滑塊第三主應(yīng)力云圖

（1）循環(huán)應(yīng)力幅與平均應(yīng)力計(jì)算：

式中：Sa為循環(huán)應(yīng)力幅；Sb為平均應(yīng)力；Smax為最大主應(yīng)力；Smin為最小主應(yīng)力。

式中：m與C為與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)參數(shù)；k為不同載荷作用形式的抗拉因數(shù)，取0.35；Su為材料抗拉強(qiáng)度。

（3）等壽命轉(zhuǎn)換。為了計(jì)算疲勞壽命，需要將實(shí)際工作循環(huán)應(yīng)力水平等壽命地轉(zhuǎn)換為對稱循環(huán)下的應(yīng)力水平，由古德曼（Goodman）方程可知［13］：

式中：Sa（R=-1）為應(yīng)力比R=-1時(shí)的循環(huán)應(yīng)力幅。

由式（5）計(jì)算得：

（4）壽命預(yù)測。在對稱循環(huán)條件下的壽命可以由基本S-N曲線得到：

式中：N為壽命。

經(jīng)查閱資料可知高周疲勞是指構(gòu)件破壞前循環(huán)次數(shù)高于104～105的疲勞［14］，根據(jù)以上方程得知該攪拌摩擦焊構(gòu)架滿足材料強(qiáng)度，疲勞壽命屬于高周疲勞。

5 結(jié)論

筆者應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件，根據(jù)實(shí)際載荷情況對攪拌摩擦焊構(gòu)架進(jìn)行約束加載，并進(jìn)行計(jì)算，得到了攪拌摩擦焊構(gòu)架的應(yīng)力最大點(diǎn)，又對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度和疲勞壽命分析，得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)構(gòu)架等效應(yīng)力云圖，得出構(gòu)架滑塊處所受等效應(yīng)力最大為80.91 MPa，小于所選材料屈服極限，滿足了構(gòu)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（2）根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度205 MPa，通過疲勞計(jì)算，得到構(gòu)架使用壽命為4.592 5×106次循環(huán)，滿足結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)要求。

（3）通過有限元分析得出構(gòu)架相對薄弱部位，為后續(xù)構(gòu)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。