機(jī)器人小車焊接構(gòu)架變形預(yù)測和分析

張金玉 門志輝 劉靖楠 李婭娜

摘要： 為探究焊接變形對機(jī)器人小車碰撞性能和使用壽命的影響，基于熱彈塑性固有應(yīng)變法，利用仿真軟件VIRFAC對機(jī)器人小車焊接構(gòu)架變形進(jìn)行數(shù)值模擬。通過熱源校核，模擬4種典型接頭的熱源分布，建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫，分析具有282條焊縫的機(jī)器人小車整體變形規(guī)律。結(jié)果表明：機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的最大變形為2.962 mm，位于頂層邊框位置。研究結(jié)果為機(jī)器人小車的焊接設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和穩(wěn)定性分析提供支持。

關(guān)鍵詞： 焊接; 構(gòu)架; 熱彈塑性; 固有應(yīng)變; 熱源校核; 變形

中圖分類號： TG404; TB115.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To study the influence of welding deformation on the collision performance and the service life of the robot vehicle， based on the thermo-elasto-plasticity inherent strain method， the deformation of the robot vehicle welding frame is simulated in software VIRFAC. By checking with heat source， the heat source distributions of four typical joints are simulated， the inherent strain database is established， and the overall deformation rule of the robot vehicle with 282 welding seams is analyzed. The results show that the maximum deformation of the welding frame of the robot vehicle is 2.962 mm， which is located at the top of the frame. The research results can support the welding design， strength and stability analysis of the robot vehicle.

Key words： welding; frame; thermo-elasto-plasticity; inherent strain; heat source checking; deformation

0 引 言

焊接變形涉及傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體力學(xué)和流體力學(xué)等，是多學(xué)科融合的復(fù)雜現(xiàn)象。[1]作為機(jī)械加工常用的連接方式之一，焊接在機(jī)器人小車構(gòu)架的生產(chǎn)和制造中有重要的作用。焊接加工時(shí)往往出現(xiàn)殘余變形，殘余變形的大小直接影響機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的性能和使用壽命。焊接構(gòu)架是機(jī)器人小車的關(guān)鍵承載部件之一，其安全性和可靠性至關(guān)重要。在機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的設(shè)計(jì)階段，合理完善的焊接變形預(yù)測和分析需要可靠、適用的焊接變形數(shù)據(jù)支撐。

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，對焊接變形的數(shù)值仿真計(jì)算有很大地促進(jìn)作用，數(shù)值模擬成為結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力和焊接變形預(yù)測的有效方法之一。常用的數(shù)值模擬方法有熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法。張立平等[2]利用熱彈塑性有限元法分析厚度為5 mm的Q550低碳鋼薄板在對接接頭焊接過程中的焊接變形;戈亮等[3]采用順序耦合熱彈塑性有限元法對自由狀態(tài)下的甲板分段焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬;紀(jì)浩然[4]采用熱彈塑性有限元法分析大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形;于紅等[5]采用固有應(yīng)變法研究高速列車司機(jī)室前窗框的焊接變形;唐琪等[6]通過有限元軟件SYSWELD，采用固有應(yīng)變法計(jì)算不同焊接順序時(shí)枕梁的焊接變形，分析焊接順序?qū)φ砹汉附幼冃蔚挠绊?李樹棟等[7]采用固有應(yīng)變法對不銹鋼車體的車頂進(jìn)行焊接變形仿真;VISHVESHA等[8]采用固有應(yīng)變法預(yù)測汽輪機(jī)導(dǎo)葉座外圈的焊接變形;王小杰等[9]采用固有應(yīng)變法研究不同焊點(diǎn)距離對門檻結(jié)構(gòu)焊接變形的影響;王素節(jié)等[10]采用熱彈塑性法預(yù)測T型梁的焊接變形。目前，針對機(jī)器人小車焊接構(gòu)架變形預(yù)測和分析的文獻(xiàn)很少。

本文以機(jī)器人小車焊接構(gòu)架為研究對象，基于熱彈塑性固有應(yīng)變法，利用有限元分析和VIRFAC軟件，結(jié)合實(shí)際加工工藝，對機(jī)器人小車構(gòu)架焊接變形進(jìn)行仿真分析，為機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的可靠性設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 基本原理

1.1 固有應(yīng)變法

固有應(yīng)變法最初由日本學(xué)者提出。固有應(yīng)變是指熱循環(huán)后殘留在構(gòu)件內(nèi)引起構(gòu)件殘余應(yīng)力和變形的應(yīng)變，也稱為殘余應(yīng)變。固有應(yīng)變是焊件產(chǎn)生應(yīng)力和變形的根本原因。固有應(yīng)變表示構(gòu)件從應(yīng)力狀態(tài)剝離后處于自由狀態(tài)時(shí)，與基準(zhǔn)狀態(tài)對比所具有的應(yīng)變。固有應(yīng)變包括塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相應(yīng)變，其表達(dá)式為ε*=εP+εT+εX（1）式中：εP為塑性應(yīng)變;εT為熱應(yīng)變;εX為相應(yīng)變。

若只經(jīng)過1次熱循環(huán)，則構(gòu)件熱應(yīng)變基本可以忽略不計(jì)，構(gòu)件材料為低碳鋼，也可以不考慮相應(yīng)變，所以固有應(yīng)變可以用塑性應(yīng)變代替，即ε*=εP（2）

1.2 熱彈塑性固有應(yīng)變法

目前，基于固有應(yīng)變理論進(jìn)行焊接變形仿真主要有2種方法：一種是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的固有應(yīng)變法，另一種是基于熱彈塑性的固有應(yīng)變法。本文采用基于熱彈塑性的固有應(yīng)變法。

首先，利用熱彈塑性有限元法對機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的局部模型進(jìn)行仿真和計(jì)算;然后，提取塑性應(yīng)變并建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫;最后，將固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變，施加到焊縫及其附近區(qū)域，進(jìn)行1次彈性計(jì)算，得到機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的最終應(yīng)變。焊接變形仿真計(jì)算流程見圖1。

2 焊接構(gòu)架模型

目前，大部分機(jī)器人小車焊接構(gòu)架分為底層、中間層和頂層等3部分，由方形鋼管焊接而成，方形鋼管的母材材料為Q345A，焊接構(gòu)架幾何模型見圖2。機(jī)器人小車焊接構(gòu)架主要起支撐和保護(hù)作用，因此需要研究構(gòu)架中282條焊縫對機(jī)器人小車整體焊接構(gòu)架的影響。

3 局部模型熱源校核

根據(jù)不同焊接接頭形式，可將機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的接頭分為4類，局部接頭和焊縫填充物均用六面體實(shí)體單元模擬。焊接工藝及其參數(shù)見表1。

熱源校核是焊接仿真和計(jì)算的關(guān)鍵步驟，其準(zhǔn)確性直接影響固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性。局部接頭仿真時(shí)，熱源采用Goldak雙橢球體熱源，局部焊接接頭熱源校核示意見表2。

4 邊界條件

4.1 約束條件

取方形鋼管厚度為1 mm、方形截面邊長為2 cm?？紤]模型的最小夾持條件，約束底層4個(gè)點(diǎn)防止剛體移動。機(jī)器人小車的裝夾約束條件（見圖2）為：①點(diǎn)約束x、y和z方向，②點(diǎn)約束y和z方向，③點(diǎn)約束x和y方向，④點(diǎn)約束y方向。

4.2 焊接順序

機(jī)器人小車焊接構(gòu)架按照從底層到頂層的順序依次焊接。底層焊接順序見圖3。底層按照空心箭頭所指順序從中間向兩端焊接，每個(gè)橫桿都先焊接內(nèi)側(cè)再焊接外側(cè)。中間層焊接順序見圖4。中間層先焊接前面的短豎桿及其上面的橫桿，再繞y軸逆時(shí)針順序焊接4根長豎桿;中間部分先焊接豎桿再焊接橫桿;最后焊接具有固定作用的斜桿。

頂層焊接順序見圖5。頂層有2層：下面一層先按照逆時(shí)針順序依次焊接3根橫桿，然后焊接長方形端口構(gòu)件，最后按照逆時(shí)針方向焊接4根斜桿將其固定;上面一層同樣也按逆時(shí)針方向先焊接豎桿再焊接橫桿。最外側(cè)突出結(jié)構(gòu)先焊接支撐桿再焊接連接桿。

5 整體模型計(jì)算和結(jié)果分析

5.1 固有應(yīng)變的提取和數(shù)據(jù)庫建立

由局部接頭焊縫應(yīng)變結(jié)果的范圍可確定焊縫局部塑性應(yīng)變的提取半徑。根據(jù)應(yīng)變分布規(guī)律，選取包含固有應(yīng)變區(qū)域的單元最大直線距離，即為焊縫塑性應(yīng)變提取半徑。通過設(shè)置焊接起弧階段和焊接收弧階段占焊縫長度的百分比確定所需提取的固有應(yīng)變。提取局部接頭長度前25%的塑性應(yīng)變作為焊接起弧階段的固有應(yīng)變，提取局部接頭長度后25%的塑性應(yīng)變作為焊接收弧階段的固有應(yīng)變，提取局部接頭中間50%的塑性應(yīng)變作為焊接穩(wěn)定階段的固有應(yīng)變，最后生成局部接頭塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)庫文件。本文提取局部接頭焊縫處各方向的塑性應(yīng)變建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫，再將固有應(yīng)變數(shù)值分別映射到整體模型的每條焊縫，進(jìn)行數(shù)值模擬。

5.2 整體模型計(jì)算結(jié)果分析

利用局部焊縫的塑性應(yīng)變作為映射源，對整體模型的每條焊縫進(jìn)行映射和1次彈性計(jì)算。機(jī)器人小車構(gòu)架焊接工藝方案的整體變形見圖6。

機(jī)器人小車焊接構(gòu)架底層和中間層的變形不大，整體最大變形位于構(gòu)架頂層邊框位置，最大變形為2.962 mm，x、y和z方向最大變形依次為0.730、0.465和2.655 mm，相對于整個(gè)焊接構(gòu)架，焊接變形較小。對實(shí)驗(yàn)室十幾臺模型車的焊接變形進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，x、y方向的變形較小，z方向的變形約為3 mm，模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，計(jì)算結(jié)果可為 ? 機(jī)器人小車構(gòu)架焊接變形優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析提供數(shù)據(jù)支持。

6 結(jié) 論

通過對機(jī)器人小車焊接構(gòu)架進(jìn)行焊接變形預(yù)測和分析，得出以下結(jié)論：

（1）將焊接構(gòu)架局部接頭分為4種類型，根據(jù)實(shí)際焊接工藝參數(shù)，對每種接頭進(jìn)行熱源校核，熱源校核計(jì)算結(jié)果合理。

（2）在熱源校核基礎(chǔ)上，提取每個(gè)接頭各主方向的塑性應(yīng)變建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫，為整體模型的彈性計(jì)算提供數(shù)據(jù)來源。

（3）利用固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫進(jìn)行機(jī)器人小車焊接構(gòu)架整體變形仿真計(jì)算，整體模型網(wǎng)格為2 909 266個(gè)，焊縫為282條，最大焊接變形為2.962 mm，位于構(gòu)架頂層邊框位置。

通過提取局部接頭各方向塑性應(yīng)變，建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫，再將固有應(yīng)變映射到整體模型的每條焊縫進(jìn)行模擬計(jì)算。這種方法可將百萬量級網(wǎng)格、幾百條焊縫模型的焊接變形計(jì)算時(shí)間縮短至十幾個(gè)小時(shí)。因此，基于熱彈塑性的固有應(yīng)變法經(jīng)濟(jì)適用，可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的機(jī)器人小車焊接構(gòu)架的變形仿真和計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝超. 鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力有限元分析[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2017.

[2] 張立平， 紀(jì)昂， 陳明剛， 等. 應(yīng)變模型對薄板面外變形的影響[J]. 熱加工工藝， 2019， 48（5）： 241-244. DOI： 10.14158/j.cnki.1001-3814.2019.05.061.

[3] 戈亮， 劉序辰. 基于熱彈塑性計(jì)算分析的甲板分段建造反變形值設(shè)置方法[J]. 造船技術(shù)， 2018（6）： 59-63. DOI： 10.3969/j.issn.1000-3878.2018.06.014.

[4] 紀(jì)浩然. 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析[J]. 中國金屬通報(bào)， 2019（3）： 136. DOI： 10.3969/j.issn.1672-1667.2019.03.085.

[5] 于紅， 韓士宏， 田慧. 基于固有應(yīng)變法的高速列車司機(jī)室前窗框焊接變形研究[J]. 焊接技術(shù)， 2019， 48（8）： 13-15. DOI： 10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2019.08.004.

[6] 唐琪， 劉贊， 陳鵬， 等. 基于固有應(yīng)變法的地鐵枕梁焊接變形數(shù)值模擬[J]. 熱加工工藝， 2019， 48（19）： 128-130. DOI： 10.14158/j.cnki.1001-3814.2019.19.032.

[7] 李樹棟， 祝航， 戴忠晨， 等. 基于固有應(yīng)變法的不銹鋼車體車頂焊接變形仿真[J]. 電焊機(jī)， 2018， 48（8）： 9-12. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2018.08.02.

[8] VISHVESHA A， PANDEY C， MAHAPATRA M M， et al. On estimation and control of welding distortion of guide blade carrier for a 660 MW turbine by using inherent strain method[J]. International Journal of Steel Structures， 2017， 17（1）： 53-63. DOI： 10.1007/s13296-016-0098-4.

[9] 王小杰， 韓振宇， 劉春景， 等. 基于固有應(yīng)變法的超高強(qiáng)鋼電阻點(diǎn)焊變形研究[J]. 焊接技術(shù)， 2019， 48（10）： 26-28. DOI： 10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2019.10.006.

[10] 王素節(jié)， 馬穎珊， 史良宇， 等. 鋼制薄板T型梁焊接變形及焊接殘余應(yīng)力數(shù)值仿真[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用， 2019， 32（6）： 1-4. DOI： 10.16576/j.cnki.1007-4414.2019.06.001.

（編輯 章夢）