工藝仿真技術(shù)在工程機械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

李德明，蔣富強，宮濤，王彩鳳

山推工程機械股份有限公司 山東濟寧 272000

1 序言

近年來，隨著電、液等相關(guān)技術(shù)和智能化技術(shù)在工程機械行業(yè)中的應(yīng)用，推土機也由原常規(guī)機械液力式向更高效的靜液壓推土機轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的差異性大也給工廠生產(chǎn)制造帶來新的挑戰(zhàn)。如某新型車架完全不同于常規(guī)產(chǎn)品的后橋箱、機架、平衡梁架等幾大傳統(tǒng)部件中鑄鍛件較多的組焊結(jié)構(gòu)特點，而是摒棄對環(huán)保要求過高鑄鍛件，采取以低合金高強板為主的一體式組焊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 車架結(jié)構(gòu)

由于公司原自動化焊接生產(chǎn)線相對柔性較低，生產(chǎn)工藝流程只適應(yīng)于原常規(guī)產(chǎn)品的生產(chǎn)，所以無法有效滿足該新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求。若根據(jù)新機型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)投入新的自動化焊接生產(chǎn)線，一是投資額度較大，二是新機型產(chǎn)品需經(jīng)歷市場推廣階段，這期間常規(guī)產(chǎn)品在量上仍為主導(dǎo)，無法替換騰出廠房空間來布局，從而導(dǎo)致短期內(nèi)新機型生產(chǎn)瓶頸的現(xiàn)實問題。因此，也只能采取人工參與度較高的焊接作業(yè)方式來實現(xiàn)，但作業(yè)中使用行車吊裝翻轉(zhuǎn)會增多，無法實現(xiàn)焊縫的船型焊接，翻轉(zhuǎn)一次只能焊局部焊縫，焊接變形及均一性無法保證；另外，由于工件尺寸、重量較大，所以翻轉(zhuǎn)作業(yè)同樣存在安全隱患，且焊接效率較低。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

原生產(chǎn)線自動化水平高，經(jīng)過三十余年的工藝積淀，制造成本優(yōu)勢較明顯，同時由于新老產(chǎn)品交替，所以生產(chǎn)線的產(chǎn)能有富余，并因此工藝人員仍考慮沿用或者通過技術(shù)改進原來的生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)原設(shè)備稼動率提升，使公司運營效益最大化。然而新產(chǎn)品與原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異性大，直接復(fù)制工藝流程無法適用，只能從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改進。通過多輪評審論證，把原新型車架結(jié)構(gòu)更改為斷開式（見圖2），類似于常規(guī)機型后橋箱、機架等結(jié)構(gòu)，然后沿用原來的生產(chǎn)工藝流程，合件焊接加工后進行總組總焊，不再進行整體加工，同時減少對大型加工中心的依賴性，實現(xiàn)較大程度的降本增效。

圖2 車架斷開結(jié)構(gòu)及焊縫形式示意

通過擬采取的斷開結(jié)構(gòu)可以看出，把新型車架主體結(jié)構(gòu)分成兩個部分，采取雙邊X形對接焊縫進行連接。由于板材為32mm，故單側(cè)采取三層四道進行施焊。此外，為更好地控制焊接變形，考慮到車架的對稱結(jié)構(gòu)，同時盡量減少焊接變位次數(shù)，提升作業(yè)效率，采取有序?qū)ΨQ施焊方式，具體焊接順序為1→9→5→6→13→14→2→3→4→10→11→12→7→8→15→16。焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

3 主體結(jié)構(gòu)材料性能

新型車架主體結(jié)構(gòu)采取材料為Q460C，該材質(zhì)是一種低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，在16Mn鋼的基礎(chǔ)上加入Cr、Ni、V、Ti等合金元素?zé)捴贫?，材料化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2。V和Ti的加入，能使鋼材強度增高，同時又能細化晶粒，減少鋼材的過熱傾向，具有良好的抗疲勞性能和低溫韌性，可以適應(yīng)于制作高強度工程機械關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，特別是耐寒高強度結(jié)構(gòu)件[1]。

表2 Q460C鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能

根據(jù)碳當(dāng)量計算公式C E = C + M n / 6 +（Cr+Mo+V）/5+Si/24+（Ni+Cu）/15，可得出碳當(dāng)量為0.58%～0.63%，由此得出Q460C焊接時具有較好的焊接性。

4 焊接仿真過程模擬

4.1 工藝流程

根據(jù)改進后的產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)特點和生產(chǎn)實際進行分析，研究制定并通過細化工序以及標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程等方面進行工藝仿真。具體工藝路線為：①后橋合件：小件組焊→粗加工→后橋合件組對→后橋合件焊接→無損檢測、矯形→機械加工。②前體合件：小件組焊→平衡梁合件組焊→底護板組焊→前體總對→前提焊接→機械加工。③后橋合件、前體合件總對→總焊→拋丸→涂裝→機械加工→翼板組焊→面漆涂裝→檢查待檢。

4.2 工藝方案選取

結(jié)合后橋合件、前體合件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采取原龍門式+L形雙回轉(zhuǎn)變位機常規(guī)產(chǎn)品的機器人自動焊設(shè)備進行夾具改造實現(xiàn)自動焊作業(yè)，車架主體焊接則采用雙立柱提升的頭尾式雙回轉(zhuǎn)的變位機，實現(xiàn)本次改進關(guān)鍵焊縫的船型位置施焊，確保焊接質(zhì)量[2]。焊接變位機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 焊接變位機結(jié)構(gòu)

4.3 工藝流程仿真

由于原車架已經(jīng)過市場驗證，結(jié)構(gòu)強度沒有問題，但評審對主體對接焊縫強度及殘余應(yīng)力集中問題有所顧慮，因此本次驗證方案針對斷開式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵焊縫進行工藝過程的仿真。采取一款專用焊接仿真軟件，首先針對三維模型中對結(jié)果沒有影響的孔、面及小件進行清理，節(jié)省后期的計算量，提升計算效率。然后對模型進行前處理，采取六面體、四面體進行網(wǎng)格劃分（見圖4），同時針對焊縫區(qū)域進行網(wǎng)格的局部細化，提升后期計算的精度。

圖4 車架網(wǎng)格劃分示意

由于采取的仿真軟件提供的常用金屬材料均為德標(biāo)、法標(biāo)，沒有本例中Q460C材料的相關(guān)數(shù)據(jù)，所以為了更好地進行模擬計算，在軟件的材料庫中找到同類材料，并參照Q460C材料對該同類材料特性值進行修正，形成Q460C材料性能曲線（見圖5），設(shè)置包括楊氏模量、泊松比、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容、應(yīng)力-應(yīng)變、熔點及相變潛熱等各項參數(shù)，且可以結(jié)合CCT和TTT曲線數(shù)據(jù)進行相變仿真計算，預(yù)測結(jié)構(gòu)的硬度、主要相的成分和百分比、t8/5冷卻速率等。

圖5 材料修正曲線示意

根據(jù)變位機支撐、定位及夾持點位置進行工裝夾具模型的創(chuàng)建和設(shè)置，如圖6所示。本例中底板設(shè)置固定裝夾（綠色），且底板孔的前后有頂緊工裝（藍色），并根據(jù)變位機液壓夾具的夾緊力進行設(shè)定。根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍，工件焊前進行夾持，直至焊接完成10min后進行下一件焊接為止。隨后按照軟件流程界面依次設(shè)置焊接電流、電弧電壓 、焊接速度等工藝參數(shù)及焊接路徑、焊接方向、焊接順序，同時需要提前校驗好熱源模型。

圖6 夾持點位置示意

設(shè)置完畢后，采取非線性、熱學(xué)耦合求解器進行計算，并利用云圖進行應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果輸出和直觀顯示，如圖7所示。通過本例中針對某斷開式車架結(jié)構(gòu)的焊接過程的變形情況、焊接結(jié)束后的殘余應(yīng)力分布進行了預(yù)測。另外，對于焊接變形的控制可以進一步提出改進方案，如焊接順序、工裝設(shè)計等，并可進行各方案的對比和驗證，從而實現(xiàn)工藝優(yōu)化的目的。最終經(jīng)過優(yōu)化后可以看到在目前的工藝下，整體變形呈現(xiàn)對稱分布趨勢，變形主要集中在焊縫附近，最大變形量為3.33mm。焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測結(jié)果顯示，主要的殘余應(yīng)力分布集中在焊縫即附近的熱影響區(qū)，最大應(yīng)力值為480MPa，低于材料固有性能，滿足了設(shè)計要求。

圖7 應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果輸出

4.4 結(jié)構(gòu)強度分析

工序工藝仿真的目的是找到更優(yōu)的方案，并應(yīng)用到產(chǎn)品工況中，以提升產(chǎn)品的可靠性。因此，基于上述結(jié)果又進一步在結(jié)構(gòu)仿真軟件中模擬施工工況過程中車架的力學(xué)性能極值，分析可能的開裂部位和相關(guān)力學(xué)性能，與材料自身固有性能進行比對，驗證方案的可行性。

如圖8所示，推土機作業(yè)工況主要受力點位前機罩提升缸作用點F1、F2，平衡梁作用部位中心孔F3，樞軸、終傳動作用部位F4、F5。以鏈輪軸線與車體中心面的鉸點為坐標(biāo)原點，X軸與鏈輪中心軸線重合，正向指向車體左側(cè)，Y軸正方向垂直向上：Z軸正向指向車體前方。輸入載荷施加位置如圖中紅色圓圈所示，邊界條件施加位置如圖中紫色圓圈所示，參考圖示坐標(biāo)系，同時確定車架重心的坐標(biāo)值。表3中載荷數(shù)值僅為右傾最深位置滿載推土的工況參考值。

圖8 工況受力作用示意

表3 各部位載荷受力

進一步把焊后殘余應(yīng)力及應(yīng)變量數(shù)值載入至結(jié)構(gòu)強度軟件中，并對網(wǎng)格中的退化或不良單元網(wǎng)格進行刪除優(yōu)化處理，確保良好網(wǎng)格單元占比達99.99%以上，同時把表3中作用載荷轉(zhuǎn)換為有效負(fù)荷加載力，進行有限元分析計算。結(jié)構(gòu)強度分析云圖如圖9所示。

圖9 結(jié)構(gòu)強度分析云圖

通過最終有限元計算優(yōu)化的應(yīng)力應(yīng)變云圖可以看出，最大應(yīng)變量為1.44mm，與原車架結(jié)構(gòu)基本一致，但應(yīng)力最大值達到799MPa，高出Q460C材料的固有性能。這表明焊縫部位應(yīng)力集中較明顯，主要的殘余應(yīng)力分布集中在焊縫及熱影響區(qū)，整體趨勢與工藝人員用經(jīng)驗預(yù)測相吻合，再進行物理樣機改制試驗風(fēng)險較大，存在設(shè)備使用過程中車架斷裂風(fēng)險。因此采取謹(jǐn)慎處理方式，對此種斷開式改進結(jié)構(gòu)予以否定，后續(xù)會采取其他工藝優(yōu)選方式，在此不再贅述。

5 結(jié)束語

隨著用戶對產(chǎn)品外觀及質(zhì)量可靠性的要求趨于高標(biāo)準(zhǔn)，工程機械制造企業(yè)對產(chǎn)品所涉及關(guān)重件的研發(fā)也需進行更全面的生產(chǎn)風(fēng)險評估。原來對于產(chǎn)品工藝方案的制定和工藝參數(shù)的優(yōu)選，采用傳統(tǒng)的物理試錯方法，存在設(shè)計和研發(fā)周期較長、成本高、效率低等問題，同時采取固有經(jīng)驗只能定性的判斷，無法實現(xiàn)數(shù)值量化，仍需要物理試錯來體現(xiàn)。但近年來工藝仿真軟件從通用性，如具代表性的有Marc、Ansys、Abaqus，向細分市場的專業(yè)化轉(zhuǎn)變，如Sysweld、Simufact等，同時也從航空航天、軍工高鐵等高端行業(yè)逐漸向一般制造業(yè)普及，界面可視化，操作流程化較好。

工藝仿真軟件的應(yīng)用提升了工藝基礎(chǔ)理論研究，在實現(xiàn)工藝開發(fā)數(shù)字化，效果數(shù)值化的同時，也為有效減少物理試錯概率及試錯成本，降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，提供一種參考。