輪輞與輪輻間焊縫參數(shù)對(duì)鋼制車(chē)輪彎曲應(yīng)力影響的仿真分析

劉旺浩+單穎春+劉獻(xiàn)棟

摘要： 為考察輪輞與輪輻間焊縫對(duì)鋼制車(chē)輪強(qiáng)度的影響，建立包括該焊縫在內(nèi)的鋼制車(chē)輪的有限元模型，分析在彎曲載荷作用下，鋼制車(chē)輪輪輞與輪輻間的焊腳高度、焊縫截面形狀以及焊縫布置位置對(duì)車(chē)輪應(yīng)力的影響.仿真結(jié)果表明：對(duì)于該鋼制車(chē)輪，輪輞與輪輻間焊腳高度可以由目前的3.5 mm減至2.5 mm，這為焊接工藝參數(shù)的調(diào)整提供一定參考；焊縫截面邊界為直邊時(shí)焊縫處應(yīng)力較??；當(dāng)每段焊縫的一半對(duì)著通風(fēng)孔時(shí)焊接區(qū)域應(yīng)力較小.該仿真分析可用于鋼制車(chē)輪輪輞與輪輻間焊縫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并為鋼制車(chē)輪在彎曲載荷作用下的疲勞壽命估算提供更準(zhǔn)確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果.

關(guān)鍵詞： 鋼制車(chē)輪； 焊縫參數(shù)； 彎曲載荷； 強(qiáng)度； 應(yīng)力； 有限元

中圖分類(lèi)號(hào)： U463.34； TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)在其工作載荷下的應(yīng)力狀況是估算其疲勞壽命的前提.對(duì)彎曲載荷作用下鋼制車(chē)輪的應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，以往學(xué)者[15]采用的有限元模型中多忽略輪輻與輪輞間的焊縫結(jié)構(gòu)，將輪輻與輪輞在過(guò)盈面處直接綁定在一起.這種簡(jiǎn)化不僅無(wú)法計(jì)算焊縫本身的應(yīng)力，還忽略焊縫對(duì)焊接區(qū)域、緩沖環(huán)等處應(yīng)力的影響.為得到更接近實(shí)際的應(yīng)力仿真結(jié)果，為鋼制車(chē)輪疲勞壽命預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在鋼制車(chē)輪三維模型中增加焊縫，分析鋼制車(chē)輪在彎曲載荷作用下輪輞與輪輻間的不同焊腳高度、焊縫截面形狀和焊縫位置等因素對(duì)車(chē)輪應(yīng)力的影響，重點(diǎn)分析焊縫對(duì)焊接區(qū)域附近和危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域——緩沖環(huán)上最大應(yīng)力的影響.

1包含焊縫結(jié)構(gòu)的車(chē)輪彎曲應(yīng)力仿真有限元模型模擬車(chē)輪在彎曲疲勞試驗(yàn)臺(tái)上的加載狀況，在Abaqus[6]中建立某型鋼制車(chē)輪的有限元模型.模型包括輪輞、輪輻、連接盤(pán)、加載軸和輪輞與輪輻間的焊縫結(jié)構(gòu).輪輞與輪輻間經(jīng)過(guò)盈裝配后端面焊接，輪輻在半徑上的過(guò)盈量為0.25 mm.輪輻輻底與連接盤(pán)、連接盤(pán)與加載軸固定連接.按照該型車(chē)輪的試驗(yàn)條件，分析時(shí)固定輪輞中遠(yuǎn)離輪輻的端面，在加載軸的端部施加垂直于軸的彎曲載荷F=3 022.4 N.車(chē)輪部件和整體有限元模型見(jiàn)圖1和2.a）輪輻b）輪輞c）連接盤(pán)d）加載軸e）焊縫圖 1車(chē)輪部件

Fig.1Wheel parts

圖 2整體有限元模型

Fig.2Whole finite element model

分別定義各結(jié)構(gòu)的材料屬性：輪輻與輪輞的材料為車(chē)輪鋼BG380CL，密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.00×105 MPa，泊松比為0.3.此外，由于分析時(shí)考慮材料非線(xiàn)性特性的影響，所以給定輪輞、輪輻材料屈服后的硬化特性.加載軸的材料為40Cr，密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.11×105 MPa，泊松比為0.3.連接盤(pán)的材料為45號(hào)鋼，密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3.由于焊縫附近的材料屬性難以確定，所以分析中進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，假設(shè)焊縫材料與母材相同，即密度為7.8×10-9 t/mm3，彈性模量為2.00×105 MPa，泊松比為0.3.

整個(gè)仿真過(guò)程包括4個(gè)步驟：首先，因在Abaqus中綁定約束必須在初始步中進(jìn)行設(shè)置，故在初始分析步中將加載軸與連接盤(pán)、連接盤(pán)與輪輻、焊縫與輪輞間的連接面設(shè)置為綁定約束，即固定連接；然后，在第1個(gè)分析步中設(shè)置輪輻與輪輞之間為過(guò)盈接觸，摩擦因數(shù)設(shè)為0.15，即可獲得輪輞與輪輻間的過(guò)盈應(yīng)力；在第2個(gè)分析步中設(shè)置輪輻與焊縫間的接觸為切向“粗糙”即切向無(wú)滑移，法向接觸屬性為“硬接觸”且接觸后不分開(kāi)，從而通過(guò)該分析步建立焊縫結(jié)構(gòu)與輪輻間的連接關(guān)系，保證焊縫與輪輻間在切向與法向均無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)；在第3個(gè)分析步中定義彎曲載荷，將其施加在加載軸的端部，從而獲得考慮焊縫結(jié)構(gòu)以及過(guò)盈應(yīng)力影響時(shí)車(chē)輪在彎曲載荷作用下的應(yīng)力分布.

2不同焊腳高度的影響

輪輞與輪輻間焊腳高度的大小不僅影響焊接區(qū)域的應(yīng)力，而且影響車(chē)輪焊接的效率和焊縫材料的用量，直接影響產(chǎn)品的加工成本.為研究焊腳高度的影響，在車(chē)輪仿真模型中分別建立焊腳高度為3.5，3.0，2.5，2.0和1.5 mm角焊縫[7]的三維模型.目前該型車(chē)輪中焊縫的焊腳高度為3.5 mm，模型中焊縫及其焊腳高度見(jiàn)圖3.為建模方便并減少應(yīng)力集中的影響，角焊縫采用整圈連續(xù)焊縫.焊縫處的總體網(wǎng)格為0.5 mm，單元選擇8節(jié)點(diǎn)六面體單元中的C3D8R.在彎曲載荷作用下，輪輻上的應(yīng)力通常大于輪輞上的應(yīng)力，故在此只給出采用不同焊腳高度的焊縫時(shí)，焊縫結(jié)構(gòu)和輪輻中焊接區(qū)域附近的最大應(yīng)力，具體的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

a）b）圖 3模型中焊縫及其焊腳高度

Fig.3Weld seam of model and its fillet height

表 1不同焊腳高度的焊縫對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Tab.1Calculation results of weld seam stress under different fillet height 焊腳高度/mm3.53.02.52.01.5焊縫應(yīng)力/MPa200208203270261輪輻上焊接區(qū)域應(yīng)力/MPa231228224219217

由表1可知：焊腳高度在2.5～3.5 mm時(shí)，焊縫上的最大應(yīng)力和輪輻上焊接區(qū)域的最大應(yīng)力變化不大；當(dāng)焊腳高度為2.0 mm時(shí)，焊縫上的最大應(yīng)力比焊腳高度為3.5 mm時(shí)增長(zhǎng)35%；當(dāng)焊腳高度為1.5 mm時(shí)，焊縫上的最大應(yīng)力比焊腳高度為3.5 mm時(shí)增長(zhǎng)30.5%.因此，當(dāng)焊腳高度小于2.5 mm時(shí)，焊縫上的最大應(yīng)力增大很多，容易引起焊縫的疲勞破壞，而輪輻上焊縫區(qū)域附近的最大應(yīng)力降低不明顯，故輪輞與輪輻間的焊縫的焊腳高度不應(yīng)低于2.5 mm.

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定：角焊縫的焊腳尺寸不得小于1.5t，其中t為較厚焊件厚度，mm.該鋼制車(chē)輪中厚度較大組件輪輻的厚度為4.25 mm，因此，最小焊腳高度應(yīng)取為1.5×4.25=3.09 mm.我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)角焊縫的最小焊腳尺寸和焊縫強(qiáng)度的規(guī)定偏于保守，為減小焊腳高度提供可能.[9]但是，由于本文仿真計(jì)算時(shí)，焊接區(qū)域附近的材料屬性設(shè)定為與母材相同，因此會(huì)帶來(lái)仿真結(jié)果的偏差.

綜上，為保證車(chē)輪的疲勞壽命，還需相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證焊縫采用2.5 mm的焊腳高度對(duì)于該型車(chē)輪結(jié)構(gòu)是否安全.

3不同焊縫截面形狀的影響

參考實(shí)際車(chē)輪產(chǎn)品，對(duì)于不同類(lèi)型的車(chē)輪，輪輞與輪輻間焊縫的截面形狀有所區(qū)別，為研究不同焊縫截面形狀對(duì)車(chē)輪應(yīng)力的影響，分別研究3種焊縫截面形狀下車(chē)輪受彎曲載荷時(shí)的應(yīng)力變化情況.其焊縫的焊腳高度均為3.5 mm，截面邊界分別為直邊、凸形和凹形，見(jiàn)圖4.

a）直邊b）凸形c）凹形

圖 4不同截面形狀的角焊縫

Fig.4Fillet weld seams with different cross section shapes

對(duì)各種焊縫截面結(jié)構(gòu)，均采用0.5 mm的總體網(wǎng)格.直邊角焊縫的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元中的C3D8R進(jìn)行離散；凸形和凹形角焊縫，采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的10節(jié)點(diǎn)四面體單元中的C3D10進(jìn)行離散.不同截面形狀的焊縫對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表 2不同截面形狀的焊縫對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Tab.2Calculation results of weld seam stress under

different cross section shapesMPa焊縫截面形狀直邊凸形凹形焊縫應(yīng)力200258266焊接區(qū)域應(yīng)力231241238

由表2可知：不同焊縫截面形狀對(duì)輪輞或輪輻上焊接區(qū)域附近的應(yīng)力影響不大，但對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力影響較大：當(dāng)采用凸形焊縫時(shí)，焊縫上的最大應(yīng)力比采用直邊焊縫時(shí)增長(zhǎng)29%；當(dāng)采用凹形焊縫時(shí)，焊縫上的最大應(yīng)力比采用直邊焊縫時(shí)增長(zhǎng)33%；截面邊界采用直邊時(shí)焊縫處應(yīng)力較小.

4不同焊縫位置的影響

該型車(chē)輪輪輞與輪輻之間的焊縫并非整圈焊縫，而是采用4段85 mm的斷開(kāi)焊縫.目前在實(shí)際生產(chǎn)中，均沒(méi)有考慮4段焊縫與輪輻通風(fēng)孔之間的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)車(chē)輪應(yīng)力的影響，即焊縫與通風(fēng)孔之間的位置關(guān)系是隨機(jī)的.本節(jié)研究焊縫與通風(fēng)孔之間處于不同相對(duì)位置時(shí)車(chē)輪應(yīng)力的變化情況，分析3種不同的焊縫位置，見(jiàn)圖5.不同位置的焊縫對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知：焊縫位置一半對(duì)著通風(fēng)孔時(shí)比處于正對(duì)通風(fēng)孔時(shí)，輪輻上焊接區(qū)域的最大應(yīng)力下降0.8%，焊縫上的最大應(yīng)力下降6.3%；焊縫一半對(duì)著通風(fēng)孔時(shí)比處于兩通風(fēng)孔之間時(shí)，輪輻上焊接區(qū)域的最大應(yīng)力下降10.8%，焊縫上的最大應(yīng)力下降2%.因此，焊接時(shí)使焊縫加工的位置一半對(duì)著通風(fēng)孔，對(duì)于降低焊縫的應(yīng)力和車(chē)輪焊接區(qū)域附近的應(yīng)力均比較有利，可作為實(shí)際生產(chǎn)的依據(jù).

a）正對(duì)通風(fēng)孔b）一半對(duì)著通風(fēng)孔c）兩通風(fēng)孔之間

圖 5焊縫相對(duì)于輪輻上的通風(fēng)孔的不同位置

Fig.5Different positions of weld seams relative to vent

表 3不同位置的焊縫對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Tab.3Calculation results of weld seam stress under

different weld positionsMPa焊縫位置正對(duì)通風(fēng)孔一半對(duì)著通風(fēng)孔兩通風(fēng)孔之間焊縫應(yīng)力205192196焊接區(qū)域應(yīng)力266264296

5焊縫對(duì)焊接區(qū)域和緩沖環(huán)上最大應(yīng)力的影響當(dāng)不考慮焊縫結(jié)構(gòu)時(shí)，車(chē)輪模型中輪輞與輪輻的過(guò)盈接觸面被簡(jiǎn)化為固定連接，即難以在一次仿真中既考慮過(guò)盈應(yīng)力又考慮彎曲載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差.在此，分析是否考慮焊縫結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)輪不同位置應(yīng)力的影響.其中，不考慮焊縫結(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，考慮焊縫結(jié)構(gòu)的有限元模型中焊縫采用圖5b的位置.仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

表 4無(wú)焊縫與有焊縫時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Tab.4Stress calculation results with or without

weld seamMPa應(yīng)力位置無(wú)焊縫有焊縫輪輻上焊接區(qū)域213264緩沖環(huán)324322

由表4可知：考慮焊縫時(shí)比不考慮焊縫時(shí)輪輻上焊接區(qū)域的最大應(yīng)力增長(zhǎng)23.9%，而輪輻緩沖環(huán)上的最大應(yīng)力下降0.6%，所以焊縫對(duì)焊接區(qū)域的最大應(yīng)力影響很大，而對(duì)緩沖環(huán)的最大應(yīng)力影響不大.雖然仿真結(jié)果中焊縫區(qū)域的最大應(yīng)力比緩沖環(huán)上的最大應(yīng)力小58 MPa，但此處的應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)該材料的屈服極限；另外，由于焊接過(guò)程往往導(dǎo)致焊接區(qū)域附近材料疲勞性能顯著下降，因此考慮焊縫結(jié)構(gòu)對(duì)焊接區(qū)域應(yīng)力的影響十分必要.

6結(jié)論

考慮焊縫結(jié)構(gòu)的影響，分析鋼制車(chē)輪在彎曲載荷作用下，輪輞與輪輻間焊縫的不同焊腳高度、截面形狀和不同位置對(duì)車(chē)輪應(yīng)力的影響，并分析焊縫對(duì)焊接區(qū)域附近和緩沖環(huán)上最大應(yīng)力的影響.通過(guò)仿真計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）輪輞與輪輻間焊縫的焊腳高度存在最優(yōu)值：對(duì)于該型車(chē)輪，仿真結(jié)果表明輪輞與輪輻間最佳焊腳高度約為2.5 mm.

2）當(dāng)焊縫截面邊界采用直邊時(shí)焊縫處應(yīng)力較小.

3）該型車(chē)輪采用4段焊縫連接輪輞與輪輻，其焊縫與輪輻通風(fēng)孔的最佳相對(duì)位置見(jiàn)圖5b，即一半對(duì)著通風(fēng)孔.

4）焊縫對(duì)焊接區(qū)域的最大應(yīng)力影響很大，而對(duì)彎曲載荷作用下車(chē)輪中應(yīng)力最危險(xiǎn)區(qū)域——緩沖環(huán)上最大應(yīng)力的影響可以忽略.

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（編輯 武曉英）

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（編輯 武曉英）