基于有限元預(yù)測(cè)某支架焊縫失效及優(yōu)化改進(jìn)

李登波

（重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050）

特種越野車(chē)輛的空調(diào)壓縮機(jī)一般由支架連接 在車(chē)身部位，支架的剛強(qiáng)度直接關(guān)系到空調(diào)壓縮機(jī)緊固是否牢固，支架斷裂嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞而空調(diào)能否正常工作或其他周邊附件損壞[1-2]。國(guó)內(nèi)某越野車(chē)[3]在進(jìn)行高空跌落沖擊試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)空調(diào)支架焊縫局部開(kāi)裂（見(jiàn)圖1），為分析和解決該問(wèn)題，本文用 UG三維軟件建立了某越野車(chē)空調(diào)支架及焊縫模型，采用Ansys Workbench軟件[4-5]受力分析預(yù)測(cè)了車(chē)輛高空跌落沖擊過(guò)程中空調(diào)支架的焊縫強(qiáng)度，找到了與實(shí)物一致的焊縫失效部位，提出一種封頂式加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)思路并對(duì)其局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的焊縫在跌落試驗(yàn)中局部的應(yīng)力減小 33%～69%，安全系數(shù)顯著提升，將增大該支架的可靠性和使用壽命，并經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證改進(jìn)措施有效。

圖1 開(kāi)裂的空調(diào)支架

1 空調(diào)支架模型的建立

某越野車(chē)空調(diào)支架外形及受力情況詳見(jiàn)如圖2所示，設(shè)計(jì)要求單體能夠承受20g的沖擊加速度作用。

分析開(kāi)裂的支架在設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該支架選用了Q235鋼材，板厚6 mm，許用應(yīng)力235 MPa?？照{(diào)壓縮機(jī)單體重量為8.1 kg，為預(yù)測(cè)該支架是否能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，首先對(duì)故障支架進(jìn)行有限元進(jìn)行受力分析并復(fù)現(xiàn)故障。在 Ansys Workbench軟件中對(duì)支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型如圖3所示，共劃分了1 088 846個(gè)有限單元格。

圖3 支架有限元網(wǎng)格模型

2 焊縫失效的仿真分析

2.1 模型載荷

由于車(chē)輛高空跌落時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)在跌落方向受到的沖擊力首先作用在空調(diào)壓縮機(jī)支架上的四個(gè)安裝附座上然后通過(guò)支架傳遞至車(chē)身。設(shè)定支架的安裝點(diǎn)為固定約束，壓縮機(jī)20倍沖擊力作用在壓縮機(jī)的安裝點(diǎn)，采用靜力加載方式，作用力假定為單點(diǎn)力，并與壓縮機(jī)重心重合。模型載荷如圖4所示。

圖4 模型載荷示意圖

2.2 模擬結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，故障支架的各個(gè)部位應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 故障支架的各個(gè)部位應(yīng)力云圖

由于故障支架采用J507焊條焊接，焊條直徑3.2 mm，焊腳高度3 mm，焊縫中焊絲部位的抗拉強(qiáng)度等于大于 490 MPa，高于母材強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Q235焊接后的力學(xué)性能不會(huì)明顯下降。由圖5可知，支架中加強(qiáng)筋最大應(yīng)力為 361.48 MPa，主體支板最大應(yīng)力為395.07 MPa，焊縫部位最大應(yīng)力為704.91 MPa。由材料的力學(xué)性能可知，主體支板、加強(qiáng)筋和焊縫所受應(yīng)力均超出其極限許用應(yīng)力，下部加強(qiáng)筋焊縫主要受壓應(yīng)力影響，沖擊過(guò)程基本不會(huì)出現(xiàn)焊縫失效現(xiàn)象，由于上部加強(qiáng)筋焊縫主要受拉應(yīng)力，超過(guò)其極限強(qiáng)度后，在沖擊過(guò)程中容易在產(chǎn)生裂紋。隨后在實(shí)物跌落試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該部位焊縫開(kāi)裂。

3 支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合上述分析結(jié)果，可確定上部加強(qiáng)筋焊縫為支架失效的最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。針對(duì)該處焊縫的應(yīng)力，以下主要從最大應(yīng)力點(diǎn)受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小應(yīng)力集中，降低該處結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。本文提出了一種封頂式加強(qiáng)筋改進(jìn)方法，同時(shí)將焊縫焊腳高度改為5～6 mm，加強(qiáng)筋優(yōu)化前、后的支架模型對(duì)比詳見(jiàn)圖6。

圖6 加強(qiáng)筋優(yōu)化前、后的支架模型對(duì)比

采用同樣的方法，對(duì)優(yōu)化后的支架進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后支架各部位應(yīng)力云圖

由圖7可知，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，原加強(qiáng)筋焊縫最大應(yīng)力由原來(lái)的704.91 MPa降為201.01 MPa，加強(qiáng)筋最大應(yīng)力由361.48 MPa降為152.55 MPa，主體支板最大應(yīng)力由395.07 MPa降為197.91 MPa，改進(jìn)后的焊縫在跌落試驗(yàn)中局部的應(yīng)力減小49.9%～71.5%，低于材料許用應(yīng)力。改進(jìn)后，在實(shí)物再次跌落試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)裂紋，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。

4 結(jié)論

綜上所述，分析結(jié)果表明，優(yōu)化前該支架在跌落沖擊時(shí)存在加強(qiáng)筋焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。改進(jìn)后局部焊縫結(jié)構(gòu)并加大焊腳高度后的應(yīng)力減小49.9%～71.5%，使支架焊縫等應(yīng)力控制在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，安全系數(shù)顯著提升，將增大該支架的可靠性和使用壽命，在實(shí)物再次跌落試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)裂紋，經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證改進(jìn)措施有效，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。