不同結(jié)構(gòu)形式箱形框架疲勞壽命研究

孟大偉

摘? 要：箱形框架結(jié)構(gòu)在機械行業(yè)中應(yīng)用廣泛，不同形式框架結(jié)構(gòu)對外載荷承載能力不同。以三種箱形框架為對象，分別研究其在同種載荷作用下的抗疲勞性能，并對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行對比分析，總結(jié)得出，3種框架結(jié)構(gòu)疲勞強度依次為模型3最大，模型1次之，模型2最小。模型1的上側(cè)焊接接頭焊根處為疲勞易破壞位置，模型2的下側(cè)焊接接頭焊喉處為疲勞易破壞位置，模型3的焊接接頭焊趾處為疲勞易破壞位置。該疲勞壽命分析預(yù)測方法，計算精度高，適用范圍廣，對復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測有重要意義。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu);焊接;疲勞分析

中圖分類號：TG405 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

框架結(jié)構(gòu)作為典型焊接結(jié)構(gòu)，是大型承載設(shè)備的重要工作單元，對設(shè)備承載能力和工作穩(wěn)定性有重要影響。焊接作為連接板材的關(guān)鍵技術(shù)，是引起幾何不連續(xù)、材料性能突變及應(yīng)力集中的原因，在外加隨機載荷往復(fù)循環(huán)作用下，極易產(chǎn)生不可逆的疲勞破壞[1]。對于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計，并不能僅關(guān)注結(jié)構(gòu)的靜強度安全設(shè)計要求，對結(jié)構(gòu)件焊接接頭疲勞強度的校核也應(yīng)當(dāng)作為整體設(shè)計的一部分[2]。

馬月[3]等采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，對起重機桁架結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞壽命進(jìn)行評估。李震等[4-5]基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力理論，利用有限元分析軟件分析得到焊縫疲勞壽命云圖，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的疲勞強度進(jìn)行分析。

本文以Dassault相關(guān)仿真分析軟件為基礎(chǔ)，對承載性框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載和動載有限元分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及可能破壞的位置，目的是提出一種新的更高效的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測分析方法，保證在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段就可對結(jié)構(gòu)的疲勞強度進(jìn)行校核，為焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計和校核提供便利和參考。

1 焊接結(jié)構(gòu)疲勞預(yù)測步驟

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞通常會在高應(yīng)力的焊接接頭位置發(fā)生，焊接結(jié)構(gòu)疲勞仿真技術(shù)，可以在設(shè)計階段對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測分析，指導(dǎo)關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)接頭細(xì)節(jié)的設(shè)計，縮短從設(shè)計到制造及使用階段的反饋周期，提高設(shè)計科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

首先建立不同結(jié)構(gòu)形式箱形框架三維模型，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將焊縫與板材接觸部分設(shè)置節(jié)點耦合。其次對焊接接頭進(jìn)行焊趾、焊喉和焊根設(shè)置SET分析組件，并設(shè)置材料屬性、拘束及外加載荷等條件。利用Abaqus軟件對模型進(jìn)行靜力計算，對靜力計算結(jié)果符合要求的模型，導(dǎo)入Fe-safe軟件，設(shè)置疲勞壽命分析條件，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞強度分析，確定焊接接頭較易破壞位置。

2 框架結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

2.1 框架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

針對箱形框架結(jié)構(gòu)，分別建立如圖1所示的三種有限元模型。為保證模型仿真計算的可對比性，所有框架結(jié)構(gòu)的橫截面積基本相同，模型板材厚度均為10mm，焊腳尺寸為8mm，三個模型的相關(guān)參數(shù)見表1。

2.2 模型邊界條件

針對長直形框架結(jié)構(gòu)，為了保證結(jié)構(gòu)的平面度，防止焊接后出現(xiàn)撓曲、扭曲及波浪變形等缺陷，框架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過程中要在保證結(jié)構(gòu)使用強度及剛度等要求的基礎(chǔ)上，盡可能減小熱輸入以便控制焊接變形。

如圖2所示為框架結(jié)構(gòu)有限元模型所受邊界條件圖，其中，以模型1為例對模型約束及受力狀態(tài)為例進(jìn)行說明，框架結(jié)構(gòu)通常都是在有一定傾角的條件下進(jìn)行工作的，本文框架模型位于45°傾斜向上狀態(tài)，框架一側(cè)端面施加固定約束，另一側(cè)端面節(jié)點建立RBE3組件，將端面節(jié)點等效到截面中心一個點，在該等效中心點上施加外力，方向垂直向下，大小F=50kN，這樣等效設(shè)置箱形框架所受外力狀態(tài)基本與實際情況相近。模型2和模型3采用與模型1相同的邊界條件。

由于焊接過程通常會控制熱輸入，焊接接頭只能部分熔透，如圖2（d）所示為模型1立板和蓋板處焊縫的節(jié)點耦合情況，兩板與焊縫接觸位置均設(shè)置為節(jié)點耦合，兩板內(nèi)側(cè)非與焊縫接觸位置設(shè)置為非節(jié)點耦合，這樣能更好地仿真框架結(jié)構(gòu)實際生產(chǎn)過程。

2.3 模型靜力分析結(jié)果

框架結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，模型1的殘余應(yīng)力為231.0MPa，模型2的殘余應(yīng)力249.3MPa，模型3的殘余應(yīng)力為253.7MPa，三個模型的殘余應(yīng)力依次增大，但是增大的幅度較小。在外加載荷的作用下，模型均出現(xiàn)一定程度的屈曲變形。

圖中三個模型均出現(xiàn)上下部分殘余應(yīng)力較大，而中間部分殘余應(yīng)力較小，說明結(jié)構(gòu)在承受外力時，上下部分受力較大，該處焊縫受力也同樣較大，在疲勞外力往復(fù)循環(huán)時，模型端部焊縫為易破壞位置。針對此種端部殘余應(yīng)力較大的框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮對端部焊接接頭進(jìn)行形狀設(shè)計，例如適當(dāng)增大端部焊接接頭的尺寸，或者端部焊縫采用環(huán)焊或者全熔透處理方法，增強端部焊接接頭強度，提高承載能力。

2.4 疲勞仿真前處理設(shè)置

對完成靜力分析的有限元模型，進(jìn)行疲勞壽命仿真分析前處理設(shè)置，如圖4為模型1的疲勞壽命分析組件，其中對模型焊接接頭疲勞壽命分析主要涉及接頭焊根組件、焊喉組件和焊趾組件，在外加循環(huán)載荷的作用下，仿真分析這三部分的疲勞循環(huán)壽命，即可對整個框架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命做出分析。由于三種框架結(jié)構(gòu)模型均為對稱模型，故對同一側(cè)的接頭進(jìn)行疲勞壽命分析即可。同理，對模型2和模型3進(jìn)行同樣的仿真分析組件。

2.5 疲勞仿真預(yù)測結(jié)果

利用Fe-safe軟件對完成疲勞壽命分析前處理設(shè)置的模型分別進(jìn)行疲勞壽命仿真計算，結(jié)果分別如圖5所示。云圖中方框位置為疲勞壽命較低位置，從疲勞壽命結(jié)果云圖中可以看出，模型1的上焊接接頭和下焊接接頭焊根位置疲勞壽命均較低，模型2的上焊接接頭和下焊接接頭各部分的疲勞壽命均較低，模型3的焊接接頭焊趾位置疲勞壽命較低。

不同模型疲勞壽命循環(huán)次數(shù)見表2所示，針對模型1，其上側(cè)焊接接頭焊根位置疲勞壽命為4.000E6，與接頭的其他位置疲勞壽命循環(huán)次數(shù)差別較大，為疲勞易破壞位置，在外加載荷作用下，箱形框架1的上側(cè)焊接接頭位置易發(fā)生疲勞破壞。針對模型2，其下側(cè)焊接接頭焊喉位置疲勞壽命最低，為3.95E6，且與其余位置疲勞壽命循環(huán)次數(shù)差別不大，均低于其他兩模型，模型2在承受垂直向下外加載荷時，下側(cè)焊縫焊喉易發(fā)生疲勞破壞，表明在焊接生產(chǎn)中，8mm焊腳尺寸并不能有效提高模型2的疲勞強度。針對該種結(jié)構(gòu)應(yīng)適當(dāng)增加焊腳尺寸，其次模型2并不適合承載該種載荷。針對模型3，其焊接接頭焊趾位置疲勞壽命較低，為4.29E6，為疲勞易破壞位置。

對三種模型疲勞強度進(jìn)行對比分析，模型3的結(jié)構(gòu)形式抗疲勞性能較強，模型1次之，模型2最差。

3 結(jié)論

本文針對不同結(jié)構(gòu)形式箱形框架，分別研究其在不同外加載荷作用下的靜強度及疲勞壽命，得到以下結(jié)論：

（1）基于本文所施加的載荷，3種框架結(jié)構(gòu)疲勞強度依次為模型3最大，模型1次之，模型2最小。

（2）模型1的疲勞循環(huán)易破壞位置為上側(cè)焊接接頭焊根位置，循環(huán)次數(shù)為4.00E6，模型2的疲勞循環(huán)易破壞位置為下側(cè)焊接接頭焊喉位置，循環(huán)次數(shù)為3.95E6，模型3的疲勞循環(huán)易破壞位置為焊接接頭焊趾位置，循環(huán)次數(shù)為4.29E6。模型2接頭焊喉疲勞壽命較低，表明8mm焊腳尺寸對于框架結(jié)構(gòu)2偏小，應(yīng)適當(dāng)增加焊腳尺寸，提高結(jié)構(gòu)強度。

（3）該疲勞壽命分析預(yù)測方法，計算精度高，適用范圍廣，對復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[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]王劍，兆文忠.基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2011（02）：127-129+133.

[3]馬月，鐘福建，虞卓力，等.基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的起重機桁架焊縫疲勞壽命評估[J].機電工程技術(shù)，2020，48（11）：208-211.

[4]李震.輕量化橋式起重機主梁焊縫疲勞壽命研究[D].大連理工大學(xué)，2014.

[5]王興路.焊接結(jié)構(gòu)件疲勞分析方法及在塔機起重臂上的應(yīng)用研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2013.