裝載機(jī)虎頭結(jié)構(gòu)焊接順序優(yōu)化數(shù)值模擬分析

周廣濤，張　華，陳志偉，郭玉龍

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021）

裝載機(jī)虎頭結(jié)構(gòu)焊接順序優(yōu)化數(shù)值模擬分析

周廣濤，張華，陳志偉，郭玉龍

（華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建廈門361021）

裝載機(jī)虎頭存在突出的焊接變形問題，為了減小焊接變形，得到最優(yōu)焊接順序方案，利用熱彈塑性有限元方法建立了有限元模型，并對裝載機(jī)后車架虎頭結(jié)構(gòu)焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬計算.分析了虎頭結(jié)構(gòu)的四種變形趨勢，定量地對比了不同焊接順序下虎頭結(jié)構(gòu)各部位的最大焊接變形點(diǎn)，得到優(yōu)化的焊接順序.該順序模擬結(jié)果：側(cè)臂最大撓曲變形量為8 mm，框架扭轉(zhuǎn)變形量為4 mm，側(cè)臂收縮變形為12 mm.對預(yù)測的最佳焊接順序下的變形模擬值和實測值進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，兩者吻合良好.

虎頭結(jié)構(gòu)；焊接順序；焊接變形；數(shù)值模擬

虎頭結(jié)構(gòu)（絞座）為裝載機(jī)前車架與后車架的連接部分，起著轉(zhuǎn)動樞紐的作用，是一個關(guān)鍵的焊接結(jié)構(gòu).虎頭結(jié)構(gòu)位于后車架前端，在焊接生產(chǎn)過程中最突出的問題就是存在較大的焊接變形，焊接變形將會影響焊接結(jié)構(gòu)的正常裝配及使用［1-7］.在實際生產(chǎn)中，預(yù)測和控制焊接變形主要依靠經(jīng)驗和大量的試驗，且在焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)焊接變形超出設(shè)計尺寸要求時還需要采取矯正措施，這樣做既增加了成本又會改變焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分布情況［8-12］.焊接變形受焊接順序影響很大，因此合理地優(yōu)化焊接順序可以良好地控制焊接變形，同時可以降低成本［13-16］.

隨著有限元數(shù)值模擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多國內(nèi)外學(xué)者利用其預(yù)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接變形［17-25］.文中使用有限元分析軟件MARC，以裝載機(jī)后車架的虎頭結(jié)構(gòu)為研究對象，研究虎頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜分布的32條焊縫焊接過程，針對不同焊接順序方案下整體結(jié)構(gòu)的焊接變形進(jìn)行了定量數(shù)值模擬分析，為實際工程生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù).

1　有限元模型建立

1．1虎頭結(jié)構(gòu)有限元模型

虎頭的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示.虎頭由下連接板①、上/中連接板③與②、條板④、2塊立板⑤、左右外側(cè)板⑥、左右內(nèi)側(cè)板⑦、連接彎板⑧及連接底板⑨組成，主要外形尺寸為：1 004 mm，738 mm，483 mm，840 mm等.

圖1　虎頭結(jié)構(gòu)

建立虎頭三維實體有限元模型，采用分塊建模方式并劃分網(wǎng)格，焊縫為角焊縫.由于模型尺寸大，為了減少計算量，提高計算效率并保證計算精度，網(wǎng)格劃分整體上表現(xiàn)為由密到疏的過渡方式，即由于焊縫及其附近區(qū)域的溫度和應(yīng)力梯度變化大，因此對焊縫及其附近區(qū)域的網(wǎng)格加密處理，最小單元長為5 mm，對于尺寸超過1 m的模型，該尺寸能滿足精度要求也能提高計算速度，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域網(wǎng)格劃分較為稀疏.模型單元為八節(jié)點(diǎn)六面體類型，共含51 836個單元、84 100個節(jié)點(diǎn)，劃分網(wǎng)格后的虎頭有限元模型如圖2所示.

圖2　有限元網(wǎng)格模型

1．2材料特性

材料的熱物理及力學(xué)參數(shù)均是溫度的函數(shù)，隨溫度而變化，這對于焊接模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要的作用，文中模擬采用的材料為Q345，其各項性能參數(shù)隨溫度變化的情況見表1.

表1　Q345材料熱物理及力學(xué)參數(shù)［1-14］

1．3熱源模型

焊接熱源模型是實現(xiàn)焊接過程數(shù)值模擬的基本條件.為了提高有限元計算的效率和精確性，選擇恰當(dāng)?shù)臒嵩词欠浅１匾?本實驗采用的是CO2氣體保護(hù)焊，因此為了讓數(shù)值模擬更符合實際情況，文中采用最能接近電弧焊熔池精度的三維雙橢球熱源模型［20］，如圖3所示.雙橢球熱源模型是一個體熱源模型，前后兩部分采用不同的表達(dá)式.

前半部分橢球熱源表達(dá)式為

后半部分橢球熱源表達(dá)式為

式中：Q為熱源總功率，Q=ηIU，η為焊接熱源熱效率；v為焊接速度；ff和fr為前后橢球熱源能量分?jǐn)?shù)，且ff+fr=2；w為熱源半寬；h為熱源深度；c1為前半球長度；c2為后半球長度.

圖3　雙橢球熱源模型［12］

計算時焊接規(guī)范按照生產(chǎn)參數(shù)為：電流I= 350 A，電壓U=30 V，焊接速度v=7 mm/s，熱源效率η=0.7；熱源參數(shù)：前半球長度c1=4 mm，后半球長度c2=7 mm，熱源半寬w=4mm，熱源深度h=5 mm，前橢球熱源能量分?jǐn)?shù)ff=1.4，后橢球熱源能量分?jǐn)?shù)fr=0.6.

另外位移邊界條件的施加按照實際焊接生產(chǎn)的定位，虎頭底部放在平臺上，故Z方向位移約束；兩臂的中心方向左右位移約束（Y向）；連接板前后位移約束（X向），以便消除整體剛性位移.計算時，不同焊接順序計算皆在同一邊界條件下，因此焊接變形結(jié)果的對比性突出.

2　焊縫位置及焊接順序方案

2．1焊縫布置

以學(xué)校牽頭組建貴州省護(hù)理職業(yè)教育集團(tuán)為平臺，各成員共同遵守協(xié)議為紐帶，多元主體，利益共通，任務(wù)分?jǐn)偅謩e核算，共建共享，風(fēng)險共擔(dān)，項目驅(qū)動，實行新的校院合作模式。我們從最基礎(chǔ)、最容易入手的合作項目開始，由易到難，由淺入深，逐漸增加合作的內(nèi)容和深度。2014年6月，學(xué)校牽頭完成了護(hù)理專業(yè)人才培養(yǎng)模式的重構(gòu)，項目中多方合作，各展所長，成果獲得中國職教學(xué)會優(yōu)秀成果二等獎。2015年，學(xué)校成為貴州省康復(fù)學(xué)會康復(fù)護(hù)理專業(yè)主任委員單位，學(xué)校與行業(yè)的深度對接，使護(hù)理專業(yè)教育教學(xué)改革更具有前瞻性、可預(yù)見性和實用性。

虎頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由各個組成板焊接形成一體，共含32條主要焊縫，彩色單元為焊縫，其序號分配及具體位置如圖4所示.由于焊縫較多，不能完全顯示，圖中括號內(nèi)表示被遮擋住的焊縫，可以從結(jié)構(gòu)的對稱性判斷出被遮擋焊縫位置.從圖4可以看出，在虎頭正面，‘焊縫2’與‘焊縫4’、‘焊縫5’與‘焊縫6’為對稱焊縫；下連接板與立板的焊縫為‘焊縫9’；上連接板與左內(nèi)側(cè)板之間的‘焊縫16’，‘焊縫17’與之對稱；上連接板與立板之間的‘焊縫32’，‘焊縫9’與之關(guān)于立板對稱.表2顯示了對稱焊縫之間的對應(yīng)關(guān)系.

圖4　虎頭焊縫位置及分布

2．2焊接溫度場模擬結(jié)果

按照前面提到的焊接參數(shù)進(jìn)行計算焊接溫度場，圖5為焊接過程中電弧行進(jìn)到‘焊縫5’時某一時刻（t=59.5 s）的瞬態(tài)溫度場.顯示的最高溫度達(dá)1 500℃，表明材料熔化形成熔池，超過熔池溫度的單元寬度為9 mm，深度為4.5 mm，與實際結(jié)構(gòu)焊縫尺寸接近（焊縫寬度為10 mm，熔深為5 mm）.建立的模型及參數(shù)符合實際焊接情況.

表2　對稱焊縫序列

圖5　焊接溫度場（t=59．5 s）

2．3焊接順序方案設(shè)計

根據(jù)虎頭焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，焊縫多為T型角焊縫，故變形以角變形為主，以及由角變形沿焊縫長度方向分布不均勻而造成的扭曲.結(jié)合生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可操作性，為了減少焊接變形，擬定焊接順序的原則為：采取左右對稱交替焊接順序，原因是左右距離較遠(yuǎn)，焊接左邊時產(chǎn)生的高溫溫度場對右邊影響較小，這樣會減小受熱區(qū)，因而變形相應(yīng)小.另外首先保證虎頭大體框架的剛度，即框架的焊縫先焊.虎頭正面/背面的焊縫首先依次焊接或左右交替焊接，然后進(jìn)行左、右側(cè)臂的焊接，加之整個結(jié)構(gòu)具有對稱性，所以可以多種組合的32條焊縫簡化擬定出四種焊接順序，焊接順序方案見表3.

表3　焊接順序方案

2．4虎頭焊接變形趨勢分析

圖6～圖8為虎頭焊接變形趨勢模擬圖，該結(jié)構(gòu)變形主要分析其四個部位的變形趨勢，分別為：

1）變形1：左側(cè)臂變形.如圖6（a）所示，可以看出，左側(cè)臂整體繞O點(diǎn)下?lián)希煽疾禳c(diǎn)A變化到點(diǎn)A1的Z向位移（ΔZA）來判斷其焊接變形的大小.

2）變形2：右側(cè)臂變形.如圖6（b）所示，可以看出，整個右側(cè)臂結(jié)構(gòu)焊接變形表現(xiàn)為繞O點(diǎn)上翹.可考察點(diǎn)B變化到點(diǎn)B1的Z向位移（ΔZB）來判斷其焊接變形的大小.

圖6　左/右側(cè)臂焊接變形趨勢

3）變形3：正面框架扭轉(zhuǎn)變形.如圖7所示，可以看出，框架發(fā)生了繞轉(zhuǎn)，可以用最外角點(diǎn)C變化到點(diǎn)C1的Z向位移（ΔZC）、Y向位移（ΔYC）作為表征各順序下的焊接變形量.

圖7　正面框架焊接變形趨勢

4）變形4：左右兩側(cè)臂收縮變形.如圖8所示為左右側(cè)臂變形趨勢，左、右側(cè)臂上端角點(diǎn)D與E向內(nèi)收縮偏移，下端角點(diǎn)F與G也向內(nèi)收縮，表現(xiàn)出梯形狀態(tài)．可以考察DE的位移ΔDE、FG的位移ΔFG.

圖8　左右兩側(cè)臂收縮變形趨勢

綜合對比四種焊接順序條件下上述四類焊接變形的考察量，變形量最小的一組焊接順序即為虎頭的最優(yōu)焊接順序方案.

2．5數(shù)值模擬結(jié)果

圖9為虎頭整體外觀焊接變形模擬結(jié)果，可以看出，虎頭表現(xiàn)出了所述的四類焊接變形.其中黑框線表示結(jié)構(gòu)焊接前位置，焊后各部位產(chǎn)生了如上述分析所示的相應(yīng)位移，彩色單元為變形后的結(jié)構(gòu).

圖9　虎頭整體外觀焊接變形

表4為虎頭的四種擬定的焊接順序方案的焊接變形數(shù)據(jù)，變形量正負(fù)號表示焊接變形方向與模型坐標(biāo)系正方向相同或相反，其絕對值為變形量大小.通過對比分析，可以看出，焊接變形綜合效果上數(shù)值最小的是焊接順序方案1，按照該焊接順序，32道焊縫對稱組焊，最終的焊接變形最小.其他的焊接方案左右側(cè)臂變形均過大，對后續(xù)虎頭結(jié)構(gòu)的裝配非常不利.

表4　4種焊接方案的變形對比

2．6虎頭結(jié)構(gòu)焊接變形實測結(jié)果

對焊接順序1的虎頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四種類型的焊接變形大小的實際測量，如圖10所示.產(chǎn)品圖紙裝配要求左右側(cè)臂收縮變形ΔDE不超過15 mm，左/右側(cè)臂上下變形ΔZA不超過10 mm，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)均比圖紙裝配要求的要小，說明模擬結(jié)果符合虎頭結(jié)構(gòu)的驗收要求.

圖10　虎頭實物測量

焊接順序方案1的模擬值與實測值直方圖對比如圖11所示.

圖11　方案1模擬值與實測值比較

實際測量數(shù)據(jù)比模擬結(jié)果值要略小，但大體上相符.方案1中左側(cè)臂實際變形ΔZA為7.8 mm，右側(cè)臂變形ΔZB為9.4 mm，正面框架扭轉(zhuǎn)變形ΔZC為8.3 mm，正面框架扭轉(zhuǎn)變形ΔYC為3.9 mm，左右側(cè)臂收縮變形ΔDE為13.4 mm，左右側(cè)臂收縮變形ΔFG為11.8 mm.最大誤差在8%之內(nèi)，對于數(shù)值模擬是可接受范圍.

3　結(jié)　論

1）建立了裝載機(jī)后車架虎頭的有限元模型，劃分了網(wǎng)格，并進(jìn)行了溫度場數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果驗證了模型建立的準(zhǔn)確性.

2）虎頭結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果表現(xiàn)出復(fù)雜的焊接變形，明確了焊接變形的分析思路，主要有左、右側(cè)臂變形，正面框架扭轉(zhuǎn)變形，左右兩側(cè)臂收縮變形.

3）采用4種不同的焊接順序進(jìn)行焊接數(shù)值計算，結(jié)果表明，采用焊接順序1時，各焊接變形量都最小，說明該方案為四種焊接順序中最優(yōu)方案.焊后實測結(jié)果表明，模擬結(jié)果誤差在8%之內(nèi)，證明模擬計算的正確性.

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（編輯張積賓）

Numerical simulation analysis for welding sequence optimization of hinge structure of loader

ZHOU Guangtao，ZHANG Hua，CHEN Zhiwei，CUO Yulong
（College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Loader tiger exists a Prominent question of welding deformation.To reduce this welding deformation and get the oPtimal scheme of tiger shaPed structure welding sequence，the numerical simulation of welding deformation of tiger-shaPed structure for rear frame of loader was conducted using thermo elastic-Plastic method.The finite element model was established to analyze four kinds of deformation trend of tiger shaPed structure and quantitatively calculate the distortion of different welding sequence，the oPtimal welding sequence of the whole structure was obtained.The results show that the maximum deflection distortion of side arm was 8 mm，the torsional deformation of frame was 4 mm，the in-Plane shrinkage of side arm was 12 mm. The simulated values and measured values are comPared under the oPtimal welding sequence，and the results show that they are in good agreement.

hinge structure；welding sequence；welding deformation；numerical simulatio

TG404

A

1005-0299（2016）03-0062-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20160311

2015-01-26.

福建省科技平臺建設(shè)項目（2013H2003）；廈門市科技計劃項目（3502Z20133023）.

周廣濤（1973—），男，博士，副教授.

周廣濤，E-mail：zhouguangtan@hqu.edu.cn.