某車架焊接接頭的疲勞斷裂分析和優(yōu)化設(shè)計

文/吳小峰 梁長佳 王彥博（安徽合力股份有限公司）

車架是叉車的主要承載結(jié)構(gòu)件，不僅承受叉車因叉取貨物而產(chǎn)生的工作負(fù)荷，也承受所安裝附件特別是配重等產(chǎn)生的自重力以及來自地面的沖擊載荷等。目前叉車車架多是由板件拼焊而成的焊接件，焊接接頭的安全耐久性是叉車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的重要問題。本文針對某叉車車架焊接接頭的斷裂問題，通過應(yīng)變試驗(yàn)分析、有限元靜力分析和疲勞分析，明確了焊接接頭斷裂的原因，有針對性地優(yōu)化結(jié)構(gòu)和焊接接頭，達(dá)到了延長車架的使用壽命的目的。

一、焊接接頭的斷裂問題

某型叉車車架在臺架疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)縱梁焊接接頭處產(chǎn)生了裂紋，繼而出現(xiàn)擴(kuò)展致使縱梁斷裂，如圖1所示。觀察研究焊接接頭處的裂紋形狀和臺架試驗(yàn)次數(shù)，推測該焊接接頭處可能存在應(yīng)力集中。為了明確焊接接頭的破壞原因，進(jìn)行了有限元法應(yīng)力分析、應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)及疲勞分析。

二、應(yīng)變試驗(yàn)與靜力分析

圖1 車架縱梁焊接接頭處的裂紋和應(yīng)變試驗(yàn)中應(yīng)變片的布置

針對車架縱梁焊接接頭的疲勞破壞點(diǎn)，在焊縫焊趾等處布置應(yīng)變片，如圖1所示?；谲嚰艿钠谠囼?yàn)臺，應(yīng)用HBMMGCplus數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)置50Hz的采樣頻率，采集記錄車架臺架正弦受載的數(shù)個循環(huán)而產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)據(jù)，而后處理換算成應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到該車架焊縫焊趾處產(chǎn)生的峰值應(yīng)力約為322MPa，平均交變應(yīng)力幅約為286MPa。相對Q355的材料而言，該峰值應(yīng)力和應(yīng)力幅偏大。

基于ANSYS軟件平臺，在極限受力狀態(tài)下進(jìn)行了車架的靜力分析，即約束加載模擬臺架的最大受力狀態(tài)。建模中用實(shí)體單元模擬了車架以及焊縫結(jié)構(gòu)，車架及臺架系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。該車架焊縫焊趾處對應(yīng)測點(diǎn)的仿真計算應(yīng)力約為312MPa，相對試驗(yàn)值的誤差約為-3%，可見仿真計算與試驗(yàn)測試基本吻合，仿真計算結(jié)果可信。

圖2 車架及臺架系統(tǒng)的有限元模型

仿真靜力分析計算焊縫焊趾處的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。從圖3可見，該焊縫接頭產(chǎn)生裂紋的區(qū)域應(yīng)力梯度較大，發(fā)生了惡劣的應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生了過大的應(yīng)力，局部峰值應(yīng)力甚至超過了材料的屈服極限，加劇了該處破壞的風(fēng)險。

圖3 車架焊接接頭處的計算應(yīng)力分布

三、疲勞分析與優(yōu)化設(shè)計

基于nCode軟件平臺，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Eurocode3的方法對車架斷裂處的焊縫接頭進(jìn)行疲勞計算[1-3]，該車架焊接接頭近似歸于標(biāo)準(zhǔn)中B.1表中的100類，S-N曲線如圖4所示。焊接接頭處的熱點(diǎn)應(yīng)力分別用焊趾處的試驗(yàn)測試應(yīng)力和仿真局部峰值應(yīng)力估計，計算得到該焊接接頭的疲勞壽命分別為8.6萬次和2.7萬次。而車架的實(shí)際疲勞試驗(yàn)約在正弦加載7.3萬次時就發(fā)現(xiàn)該焊接接頭處產(chǎn)生了明顯的裂紋，此值介于仿真結(jié)果的區(qū)間范圍內(nèi)，可見仿真疲勞計算結(jié)果具有一定的可信性。

圖4 Eurocode3標(biāo)準(zhǔn)中焊接接頭100類的S-N曲線

針對性地優(yōu)化車架縱梁焊接接頭處的結(jié)構(gòu)，主要通過局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)和改變焊接接頭布置的辦法，達(dá)到降低該區(qū)域的應(yīng)力集中程度以及提高疲勞壽命的目的。優(yōu)化后車架該處焊接接頭的局部應(yīng)力峰值約為211MPa，如圖5所示。而以此評估焊接接頭的疲勞壽命約為38.6萬次，滿足內(nèi)控不小于30萬次的要求。該型車架目前使用良好，再未發(fā)生出現(xiàn)裂紋的情況，可見優(yōu)化設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的目的。

圖5 優(yōu)化后車架焊接接頭處的計算應(yīng)力分布

四、結(jié)論

通過應(yīng)變試驗(yàn)分析和仿真靜力分析，發(fā)現(xiàn)在車架縱梁焊接接頭的斷裂處存在惡劣的應(yīng)力集中，以致產(chǎn)生了過大的應(yīng)力，是車架該處斷裂的根本原因。通過Eurocode3的焊縫疲勞計算方法，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)估計熱點(diǎn)應(yīng)力，相對可信地計算了該焊接接頭的疲勞壽命。有針對性地優(yōu)化了該焊接接頭的結(jié)構(gòu)，延長了車架的使用壽命，為類似焊接接頭的疲勞分析提供了一定的參考。