混凝土泵車(chē)高強(qiáng)鋼臂架焊縫疲勞壽命預(yù)估

佘玲娟,尹 莉,鐘 懿

(1.中聯(lián)重科股份有限公司 總部研究院,長(zhǎng)沙 410013; 2.建設(shè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410013)

高強(qiáng)鋼臂架是混凝土泵車(chē)的主要承載結(jié)構(gòu)件,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,長(zhǎng)期處于隨機(jī)的高載荷循環(huán)作用下.作為典型的焊接結(jié)構(gòu),在多種因素的共同作用中,混凝土泵車(chē)高強(qiáng)鋼臂架在焊接熱應(yīng)力區(qū)域、較大應(yīng)力集中區(qū)域或結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂.傳統(tǒng)的疲勞壽命評(píng)估方法以名義應(yīng)力為基本參數(shù),但對(duì)于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu),尤其是缺口敏感性高的高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu),不管是名義應(yīng)力法還是熱點(diǎn)應(yīng)力法,都存在焊接接頭難以分類、S-N曲線難以界定的困難,如果采用此種方法進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估,必然會(huì)造成較大誤差.

在焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析領(lǐng)域,比較先進(jìn)的方法是Battelle公司研發(fā)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法,以及Chalmers大學(xué)和沃爾沃汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)的VOLVO法.此兩種方法已被ASME標(biāo)準(zhǔn)和大型商業(yè)有限元軟件所采用,具有預(yù)測(cè)精度高、適應(yīng)性好、偏安全的特點(diǎn),但目前還未在高強(qiáng)鋼臂架設(shè)計(jì)領(lǐng)域中使用.本文將介紹上述兩種方法的分析原理,并以某型號(hào)混凝土泵車(chē)高強(qiáng)鋼臂架為研究對(duì)象,對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行虛擬疲勞分析并開(kāi)展臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,進(jìn)而比較兩種方法在高強(qiáng)鋼焊縫結(jié)構(gòu)中的適用性.

1 焊縫疲勞壽命預(yù)估原理

1.1 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是由美國(guó)著名科技研發(fā)公司Battelle下設(shè)的焊接結(jié)構(gòu)研究中心技術(shù)主任、華裔學(xué)者董平沙等[1-2],于21世紀(jì)初提出的一種新型焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù),可廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域的各類形式焊接承載部件的焊趾疲勞分析.

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法考慮焊趾部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng),應(yīng)用改進(jìn)線性化法或節(jié)點(diǎn)力法分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力,確保計(jì)算結(jié)果對(duì)有限單元類型、網(wǎng)格形狀及尺寸的不敏感,從而有效區(qū)分不同類型焊接接頭的焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情形;以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為控制參數(shù)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子,在主要考慮焊趾缺口、結(jié)構(gòu)板厚、載荷模式等因素影響基礎(chǔ)上,基于斷裂力學(xué)分析確定與焊縫疲勞壽命直接相關(guān)的應(yīng)力參數(shù),導(dǎo)出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程為

(1)

式中:m=3.6;t為板厚;I(r)為彎曲度比r的無(wú)量綱函數(shù)(R=Δσb/Δσs);ΔSs為等效應(yīng)力范圍.

基于上述應(yīng)力計(jì)算和轉(zhuǎn)化方法對(duì)焊縫疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立焊縫疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)單一主S-N曲線[3-6],實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)定和壽命預(yù)測(cè).

1.2 VOLVO焊縫疲勞分析法

在德國(guó)LBF研究中心提出的點(diǎn)焊疲勞壽命計(jì)算方法[7-8]的基礎(chǔ)上,Chalmers大學(xué)和沃爾沃汽車(chē)公司合作并提出了基于有限元法進(jìn)行焊縫疲勞壽命估算的有效方法——“VOLVO”方法[9],目前此方法已集成在一些疲勞分析軟件中,是一種較為成熟的焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)方法.該方法對(duì)焊縫有限元建模有明確要求,規(guī)定采用4節(jié)點(diǎn)殼單元模擬焊縫,焊縫單元與鈑金成45°角.焊縫單元的節(jié)點(diǎn)應(yīng)落在焊趾處,焊縫周?chē)膯卧鶓?yīng)為4節(jié)點(diǎn)殼單元,不能有三角形單元出現(xiàn).焊縫疲勞分析中的S-N曲線,由軟件根據(jù)焊趾點(diǎn)處的彎曲率對(duì)兩條已知S-N曲線(柔性和剛性S-N曲線)自動(dòng)插值得到(見(jiàn)圖1).此方法先分別計(jì)算焊趾點(diǎn)上、下表面的應(yīng)力歷程,根據(jù)應(yīng)力歷程計(jì)算彎曲率,確定S-N曲線,再對(duì)焊趾點(diǎn)上表面的應(yīng)力歷程進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)和損傷累計(jì),最終得出焊縫的疲勞壽命.

圖1 焊縫剛性和柔性S-N曲線Fig.1 Rigid and flexible S-N curves of the weld

2 焊縫疲勞強(qiáng)度校核及虛擬疲勞分析

2.1 有限元應(yīng)力分析

所分析的某混凝土泵車(chē)高強(qiáng)鋼臂架是通過(guò)直焊縫、角焊縫和環(huán)焊縫3種形式的焊縫連接而成,大量實(shí)際構(gòu)件失效情況表明,臂架主要疲勞失效部位位于距臂頭鉸點(diǎn)690 mm左右的高應(yīng)力區(qū)域,此區(qū)域主要為角焊縫,關(guān)鍵焊縫共計(jì)8條.考慮到模型的幾何對(duì)稱性,僅對(duì)一半的模型劃分網(wǎng)格,并根據(jù)上述兩種焊縫疲勞壽命估算方法的建模原則,建立焊縫有限元模型,上蓋板與腹板外側(cè)的焊縫1、下蓋板與腹板外側(cè)的焊縫2、加強(qiáng)板1與腹板內(nèi)側(cè)的焊縫3以及加強(qiáng)板2與腹板內(nèi)側(cè)的焊縫4,具體情況如圖2所示.根據(jù)臂架實(shí)際受力進(jìn)行等效損傷估算,在距離臂頭鉸點(diǎn)7 000 mm處施加載荷,最大軸向拉力4.6 kN,最大軸向壓力3.68 kN.

計(jì)算得到Mises應(yīng)力云圖如圖3所示,臂架在焊縫3與焊縫4區(qū)域的應(yīng)力較大.在4.6 kN軸向拉應(yīng)力下,焊縫3附近區(qū)域的最大應(yīng)力為411.64 MPa,焊縫4附近區(qū)域的最大應(yīng)力為433.10 MPa.由應(yīng)力分布情況可知,臂架內(nèi)部加強(qiáng)板雖然提高了臂架整體的抗彎扭性,但焊縫的增加帶來(lái)附近區(qū)域的應(yīng)力分布不連續(xù),極易造成焊縫局部區(qū)域的應(yīng)力集中.

2.2 疲勞壽命分析

2.2.1基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的疲勞壽命分析

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)上,針對(duì)板殼、實(shí)體等結(jié)構(gòu)連接形式,專門(mén)開(kāi)發(fā)計(jì)算等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的程序,使得最后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不具有網(wǎng)格敏感性.根據(jù)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法規(guī)定,提取焊縫處節(jié)點(diǎn)力,定義相關(guān)的焊線屬性與參數(shù)[10],計(jì)算得到焊縫區(qū)域的疲勞壽命云圖(見(jiàn)圖4).從圖4中可以看出:焊縫(焊縫3、焊縫4)與臂架腹板連接拐角處為疲勞強(qiáng)度薄弱點(diǎn),最危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)楹缚p3附近上蓋板與腹板交匯處,此處的疲勞壽命約為104.266=18 450次.

圖2 臂架焊縫有限元建模Fig.2 Finite element models of weld seams inthe high strength steel boom structure

2.2.2基于VOLVO法的疲勞壽命分析

基于有限元靜強(qiáng)度分析結(jié)果,利用VOLVO焊縫疲勞計(jì)算方法,對(duì)高強(qiáng)鋼臂架焊縫的疲勞壽命進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖5所示.由圖5可知,應(yīng)力集中區(qū)域位于焊縫4附近靠近上蓋板的腹板處(即2#與3#位置)、焊縫3附近腹板與上蓋板交匯處(即1#位置),以及焊縫4附近靠近下蓋板的腹板處(即4#與5#位置),具體疲勞壽命和損傷值如表1所示.表1列出損傷值由大到小排列的前10個(gè)焊縫節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命,可見(jiàn)2#位置處(位于焊縫4附近靠近上蓋板的腹板)第1 650#和1 651#節(jié)點(diǎn)的損傷最大、壽命最短,其疲勞壽命為11 771次.同時(shí),表1給出每個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前載荷下的撓度比,以判斷該點(diǎn)的受力狀態(tài),可知前10個(gè)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的撓度比都小于給定的撓度門(mén)限值0.5[11],受軸向拉力為主,這與高強(qiáng)鋼臂架實(shí)際受力情況完全吻合.

圖3 Mises應(yīng)力云圖Fig.3 Mises stress contour plot

圖4 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算的疲勞壽命云圖Fig.4 The contour plot of fatigue life assessment byequivalent structural stress method

圖5 VOLVO法計(jì)算的疲勞壽命云圖Fig.5 The contour plot of fatigue life assessment byVOVLO method

節(jié)點(diǎn)號(hào)壽命/次損傷值/10-5撓度比位置1 65011 7718.4960.2862#1 65111 7718.4960.2862#44 65813 3887.4700.3342#1 96613 7867.2540.2673#45 09213 7867.2540.2673#40 72415 2226.5690.0631#2 11815 7126.3650.3015#44 62315 7126.3650.3015#2 17916 2616.1500.2844#45 03318 8425.3080.3274#

3 臺(tái)架疲勞實(shí)驗(yàn)研究

按照實(shí)際生產(chǎn)制造工藝制作出混凝土泵車(chē)高強(qiáng)鋼臂架,共計(jì)2件,在電液伺服加載系統(tǒng)上開(kāi)展臺(tái)架疲勞實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及疲勞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示,疲勞加載過(guò)程采用力控制方式,加載力大小同計(jì)算載荷,加載頻率為0.5 Hz,加載波形為正弦波.

圖6 疲勞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖Fig.6 The scene of the fatigue test

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與虛擬分析對(duì)比關(guān)系,以及疲勞裂紋起始位置分別如表2和圖7所示.可以看出:等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法、VOLVO方法的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差分別為27.3%和12.5%,都能較準(zhǔn)確地預(yù)估高強(qiáng)鋼臂架疲勞壽命.相比等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法,VOLVO方法更適用于高強(qiáng)鋼臂架的焊縫疲勞壽命預(yù)估,其估算值更加準(zhǔn)確,預(yù)估的起裂位置與實(shí)際情況更加吻合.因此,可以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用VOLVO法進(jìn)行虛擬疲勞分析,從而預(yù)先避免不合理的結(jié)構(gòu)形式,減少物理樣機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn),縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低研發(fā)成本.

表2 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)與虛擬分析的比較Tab.2 Comparison betweenrig tests and virtual analysis

圖7 臺(tái)架實(shí)驗(yàn)試樣的起裂位置Fig.7 The initiation location of rig test specimens

4 結(jié)論

本文針對(duì)某型號(hào)混凝土泵車(chē)上高強(qiáng)鋼臂架焊縫的疲勞壽命,開(kāi)展虛擬疲勞分析與臺(tái)架實(shí)驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

(1) 混凝土泵車(chē)高強(qiáng)鋼臂架加強(qiáng)板處的焊縫區(qū)域存在比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中,在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中需確保焊接質(zhì)量.同時(shí),避免在拐角焊縫處起弧熄弧,并采取適當(dāng)措施保證腹板與加強(qiáng)板之間平緩過(guò)渡,以減少焊縫的應(yīng)力集中程度,提高焊縫的疲勞壽命,延長(zhǎng)混凝土泵車(chē)的使用期限.

(2) 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法和VOLVO焊縫疲勞壽命分析方法均能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊縫區(qū)域的疲勞壽命,并給出結(jié)構(gòu)中所有關(guān)鍵焊縫整體的壽命分布情況,為焊縫形式及布置位置的設(shè)計(jì)改進(jìn)、危險(xiǎn)焊接部位的焊接質(zhì)量控制提供有價(jià)值的參考信息.

(3) 相比等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法,VOLVO焊縫疲勞壽命分析方法更適用于高強(qiáng)鋼臂架的焊縫疲勞壽命的評(píng)估.