堆垛機柱腳焊接接頭疲勞壽命分析及優(yōu)化*

徐世敏,王立華,陳太茂,王懷宇,魏啟珂

(昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

0 引 言

堆垛機是自動化立體倉庫的核心設(shè)備。因此,堆垛機的整體性能、可靠性、安全性和工作效率直接影響了整個自動化立體倉庫的運行效率[1]。

目前,對于堆垛機結(jié)構(gòu)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)強度和剛度研究方面。其中,呂永鋒[2]基于力學(xué)理論建立了堆垛機多級貨叉力學(xué)模型,并采用多目標(biāo)優(yōu)化方法,對貨叉截面進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,使優(yōu)化后的貨叉整體剛度提升了14.5%。馬朝鵬等人[3]開展了對雙立柱堆垛機的輕量化研究,在滿足結(jié)構(gòu)剛度、強度要求的情況下,使堆垛機整體質(zhì)量降低了9.83%。蔣君俠等人[4]提出了基于V型滾輪接觸力算法的堆垛機綜合剛度求解方法,并通過對立柱和三級貨叉進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使優(yōu)化后的堆垛機整體剛度提升了23.9%。潘春榮等人[5]對轉(zhuǎn)彎過程中的堆垛機立柱撓度進(jìn)行了分析,并采用仿真分析得到了增加立柱壁厚和底部橫截面長度均可提高立柱整體剛度這一結(jié)論。

然而,堆垛機金屬框架的連接存在大量的焊接接頭,且在堆垛機長期運行過程中產(chǎn)生的動載荷作用下,極有可能發(fā)生疲勞破壞?，F(xiàn)有研究中很少考慮堆垛機結(jié)構(gòu)的疲勞特性,因此,有必要開展針對堆垛機焊接接頭的疲勞損傷研究。

在現(xiàn)有的焊接接頭疲勞研究中,SHIOZAKI T等人[6]發(fā)現(xiàn),在焊接接頭疲勞分析中考慮焊縫波紋的幾何結(jié)構(gòu),對于提高焊接接頭疲勞壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。AYGüL M等人[7]以正交各向異性梁為研究對象,研究發(fā)現(xiàn),將結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力法或有效缺口應(yīng)力法用于估算復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,能得到較好的結(jié)果。RETTENMEIER P等人[8]提出了一種基于臨界平面法的疲勞壽命估算方法,可用于評估起重機焊接軌道疲勞壽命。RAUTIAINEN M等人[9]提出了一種用于復(fù)雜十字接頭焊縫根部疲勞分析的牽引力法,該方法能較好地估計焊縫局部力。GOYAL R等人[10]提出了一種基于粗網(wǎng)格模型的焊接接頭疲勞分析方法,該方法在較粗糙的網(wǎng)格下仍具有較高的準(zhǔn)確度。

這些方法雖然可以較為準(zhǔn)確地對特定焊接接頭進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測,但對接頭類型、材料、載荷條件等因素比較敏感,因此,該方法的通用性較差。

堆垛機中焊接接頭結(jié)構(gòu)和受力模式較為復(fù)雜,使用名義應(yīng)力法等常用方法很難準(zhǔn)確評估其疲勞壽命?；诮Y(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊接接頭疲勞壽命計算方法[11],能夠綜合考慮接頭類型、材料、載荷條件等因素對焊接接頭疲勞壽命的影響,目前已被廣泛應(yīng)用到起重運輸機械焊接接頭的疲勞壽命分析中[12-15]。但研究中多采用靜態(tài)加載的方式構(gòu)建疲勞載荷譜,不考慮慣性載荷的影響,且普遍以等效應(yīng)力作為評估危險焊縫位置的標(biāo)準(zhǔn),不適用于堆垛機焊縫的疲勞壽命評估。

綜上所述,針對堆垛機柱腳焊縫運行工況下的疲勞壽命問題,筆者首先以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為疲勞強度評價標(biāo)準(zhǔn),確定堆垛機柱腳疲勞危險焊縫所在位置;然后,采用動力學(xué)仿真分析獲取柱腳危險焊縫動態(tài)疲勞載荷譜,并基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法預(yù)測柱腳危險焊縫運行工況下的疲勞壽命;最后,使用響應(yīng)面優(yōu)化方法對影響危險焊縫疲勞強度的尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

1.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義

截面內(nèi)的應(yīng)力分解如圖1所示。

圖1(a)中,焊縫截面上沿厚度方向的應(yīng)力分布因含有缺口應(yīng)力而呈現(xiàn)出高度非線性。

根據(jù)文獻(xiàn)[16],參考結(jié)構(gòu)應(yīng)力法理論,將圖1(a)中應(yīng)力分解為圖1(b)的兩個部分。其中,結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs由膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σb組成,只與外力有關(guān),且與外力互相平衡,可以用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法計算得到。另一部分為缺口應(yīng)力,由于其處于自平衡狀態(tài),且對焊縫開裂的貢獻(xiàn)較小,可以忽略不計[16]1447。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算公式如下:

(1)

式中:fy為所定義焊線處單位長度上的線力;mx為所定義焊線處單位長度上的線矩;t為母板厚度。

由式(1)可知:要計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力,首先需要計算線力fy和線矩mx。在使用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算時,需要將有限元求解得到的節(jié)點力和節(jié)點力矩轉(zhuǎn)化為線力和線矩。

根據(jù)文獻(xiàn)[16],結(jié)合有限元法對結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解進(jìn)行一般化處理,則各節(jié)點的結(jié)構(gòu)應(yīng)力σn可由各節(jié)點力Fn和各節(jié)點力矩Mn表示,即:

(2)

式中:L-1為單元長度等效矩陣的逆矩陣。

至此,可實現(xiàn)將有限元分析結(jié)果中的節(jié)點力和節(jié)點力矩轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

1.2 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和主S-N曲線

結(jié)構(gòu)應(yīng)力法通過等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力,將接頭類型、厚度、加載模式等對焊接接頭疲勞壽命的影響進(jìn)行統(tǒng)一計算,不需要再根據(jù)不同類型的焊接接頭選擇不同的S-N曲線,只需要一條主S-N曲線便可對不同焊接接頭進(jìn)行疲勞壽命計算。

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力ΔSs的計算公式為[16]1447:

(3)

式中:Δσs為結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍;I(r)為載荷彎曲比r的無量綱函數(shù);m為裂紋擴展系數(shù)。

由式(3)可知,等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力ΔSs受到包括應(yīng)力集中效應(yīng)Δσs、厚度效應(yīng)t、描述膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力狀態(tài)的I(r)等疲勞參量的影響。

主S-N曲線可表示為:

N=(ΔSs/Cd)-1/h

(4)

式中:N為循環(huán)次數(shù);h,Cd為試驗常數(shù)。

S-N曲線參數(shù)如表1所示[17]87。

2 危險焊縫位置確定

2.1 柱腳焊縫靜力學(xué)分析

堆垛機柱腳尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含有大量焊接接頭,若直接用于對全部焊縫進(jìn)行疲勞分析,會使計算模型過大,嚴(yán)重降低計算效率。因此,筆者首先對其進(jìn)行典型工況下的靜力學(xué)分析,確定危險焊縫所在位置,然后對危險焊縫進(jìn)行疲勞壽命分析。

該雙立柱堆垛機高20 m,由金屬框架(左立柱、右立柱、下橫梁、上橫梁)、升降機構(gòu)、行走機構(gòu)、載貨臺、控制柜等組成。

其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

該堆垛機整機質(zhì)量8 000 kg,額定起重量1 000 kg,行走速度160 m/min,行走加速度0.4 m/s2;金屬框架材質(zhì)為Q345B鋼,彈性模量2.1×105MPa,泊松比0.3,屈服強度345 MPa。

堆垛機金屬框架是典型的對稱結(jié)構(gòu),對稱位置受力也極為相似,故根據(jù)堆垛機金屬框架對稱性特點,筆者只選取具有代表性的右立柱外側(cè)柱腳焊縫進(jìn)行分析。

筆者使用Workbench建立含該位置全部焊縫的柱腳有限元模型,忽略螺栓孔等對結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu),使用實體單元進(jìn)行離散,得到含焊縫柱腳有限元模型,如圖3所示。

圖3 含焊縫柱腳有限元模型

右立柱外側(cè)柱腳焊縫共包含20條加勁肋與立柱和法蘭連接的角焊縫,以及1條立柱與法蘭連接的環(huán)形角焊縫。

各焊縫的編號如圖4所示。

圖4 螺栓編號

焊縫處所受載荷主要來自于立柱運行過程中擺動所產(chǎn)生的彎矩載荷。因此,在靜力學(xué)分析中,筆者對矩形法蘭底面進(jìn)行固定,通過在立柱頂部施加沿x軸的位移,模擬立柱在運行過程中的擺動。

筆者對有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)求解,提取等效應(yīng)力結(jié)果,如圖5所示。

圖5 柱腳等效應(yīng)力分布

由圖5可以看出:在立柱彎矩載荷作用下,最大應(yīng)力為40.2 MPa,出現(xiàn)在2號焊縫立柱側(cè)焊線端部;應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在2號、3號、8號、9號焊縫及21號焊縫彎曲部分,即應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在加勁肋與立柱連接焊縫的上端面以及法蘭與立柱連接焊縫的圓角處,且沿立柱X-Y對稱面呈對稱分布。

由靜力學(xué)應(yīng)力結(jié)果可以看出:高應(yīng)力區(qū)主要集中在加勁肋與立柱連接焊縫的頂部,柱腳危險焊縫位置位于2號焊縫立柱側(cè)焊線處。

2.2 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的危險焊縫位置預(yù)測

筆者采用Workbench和Fe-safe求解各焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在Fe-safe中求解結(jié)構(gòu)應(yīng)力需要定義焊線參數(shù)。

在其有限元模型中,焊線參數(shù)的選取位置如圖6所示。

圖6 焊線定義參數(shù)示意圖

圖6中,每條焊縫在連接的兩塊結(jié)構(gòu)板處各包含1條焊線,即每條焊縫需定義兩條焊線。

筆者提取各焊線相關(guān)參數(shù),將靜力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe中,使用提取的焊線參數(shù)定義各焊線信息,求解各焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

處于對稱位置的2號和9號焊縫加勁肋側(cè)焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比,如表2所示。

表2 2號和9號焊縫加勁肋側(cè)焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表2可以看出:2號和9號焊縫相同位置焊線處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本相同,即柱腳焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布也具有對稱性。

對比各焊縫焊線處結(jié)構(gòu)應(yīng)力,部分焊縫焊線處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖7所示。

圖7 焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖7可以看出:對于加勁肋與立柱、法蘭連接焊縫,加勁肋側(cè)焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于立柱或法蘭側(cè)焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力;結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為14.1 MPa,出現(xiàn)在21號環(huán)形焊縫立柱側(cè)焊線彎曲部位,其結(jié)構(gòu)應(yīng)力約為加勁肋與立柱連接焊縫最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力的5倍,約為加勁肋與法蘭連接焊縫最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力的3倍。結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)測的危險焊縫為21號環(huán)形焊縫。

由以上分析可以看出:等效應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力對于焊縫疲勞破壞位置的預(yù)測并不相同;等效應(yīng)力預(yù)測的危險位置為2號焊縫立柱側(cè)焊線端部,而結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)測的危險位置為21號焊縫立柱側(cè)焊線彎曲部分。

焊接接頭主要的疲勞破壞形式為焊縫附近沿板厚度方向上的疲勞開裂,焊縫截面沿板厚度方向上的應(yīng)力是導(dǎo)致焊接接頭疲勞破壞的主要載荷。

由結(jié)構(gòu)應(yīng)力構(gòu)成可知:結(jié)構(gòu)應(yīng)力與該部分外力相平衡,所以其能更好地描述外力造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象,對焊縫疲勞危險位置的預(yù)測更為準(zhǔn)確,這在現(xiàn)有研究中已得到證實[17]178-180。

目前,針對起重運輸機械焊接接頭疲勞壽命的研究中,多以整體分析中等效應(yīng)力最大處作為焊縫疲勞危險位置,并依此建立含危險焊縫的疲勞分析模型。由于沿板厚度方向上的應(yīng)力是疲勞裂紋擴展的主要作用力,而等效應(yīng)力無法僅描述該方向上的應(yīng)力,因此,這種方法受焊接接頭幾何結(jié)構(gòu)和受力模式影響很大,很多情況下無法正確預(yù)測危險焊縫所在位置。

在此,筆者選擇以結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)測的危險焊縫位置為準(zhǔn),進(jìn)行危險焊縫疲勞壽命分析。

3 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫疲勞分析

動態(tài)交變載荷是導(dǎo)致堆垛機疲勞的根本原因。為此,筆者使用動力學(xué)仿真結(jié)果作為危險焊縫的疲勞載荷譜,對危險焊縫進(jìn)行疲勞壽命分析。

3.1 含危險焊縫的堆垛機動力學(xué)分析

為減少模型規(guī)模,筆者只對右立柱柱腳危險焊縫進(jìn)行分析,忽略左立柱柱腳法蘭等質(zhì)量較小的連接細(xì)節(jié);柱腳部位的上、下法蘭使用高強螺栓進(jìn)行連接。

由于螺栓連接非此處研究重點,因此筆者忽略螺栓連接細(xì)節(jié),使用梁連接代替上、下法蘭之間的連接。筆者將提升機構(gòu)、控制柜、維修爬梯等結(jié)構(gòu)以點質(zhì)量和分布質(zhì)量的形式附加到模型中;使用節(jié)點更少的殼單元對模型進(jìn)行離散,并采用局部網(wǎng)格控制方法,對柱腳焊縫的周圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。離散后的模型共包含437 649個單元,439 061個節(jié)點。

筆者約束上橫梁兩端的沿Z軸的自由度和下橫梁兩端沿Y、Z軸的自由度,使其只能沿X軸移動,模擬堆垛機沿地軌的運動。

含危險焊縫堆垛機有限元模型如圖8所示。

圖8 含危險焊縫堆垛機有限元模型

筆者在下立柱左端面施加速度載荷,以實現(xiàn)堆垛機的移動,其速度變化如圖9所示。

圖9 堆垛機運行速度

筆者把載貨臺處于高位、堆垛機進(jìn)行全程運行的極端工況作為疲勞分析工況。

3.2 危險焊縫疲勞壽命分析

筆者將動力學(xué)仿真結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe,將環(huán)形焊縫焊線信息添加到Verity焊線集中,求解焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

筆者提取立柱撓度與靜力學(xué)分析立柱撓度相同時的環(huán)形焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力,如圖10所示。

圖10 環(huán)形焊縫焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖10可以看出:結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值出現(xiàn)在焊線彎曲部位,立柱側(cè)焊線最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為20.72 MPa,法蘭側(cè)焊線最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為6.9 MPa;立柱側(cè)焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)大于法蘭側(cè)焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力,最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)位置與靜力學(xué)預(yù)測位置相同。

筆者對動力學(xué)分析的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行組合,構(gòu)建動載荷作用下的焊縫疲勞載荷譜;選用中值主S-N曲線,基于Miner線性累積損傷理論,計算環(huán)形焊縫的疲勞壽命。

疲勞計算結(jié)果如表3所示。

表3 疲勞危險點位置及循環(huán)次數(shù)

由表3可以看出:疲勞危險位置為立柱側(cè)焊線彎曲部位,其疲勞危險位置與該類型焊接接頭在疲勞試驗下的疲勞危險位置一致[17]178-180。

根據(jù)堆垛機的工作情況,假設(shè)該堆垛機每天運行500次,設(shè)計使用壽命為20 y,計算可得危險焊縫的疲勞壽命為27.14 y,即在正常工作年限內(nèi),柱腳焊縫不會發(fā)生疲勞破壞。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與名義應(yīng)力法對比

目前,名義應(yīng)力法仍是各標(biāo)準(zhǔn)中常用的焊接接頭疲勞分析方法。因此,筆者使用常用的英國標(biāo)準(zhǔn)BS7608:2014+A1:2015中的名義應(yīng)力法,以此來求解危險焊縫疲勞壽命,并將其結(jié)果與結(jié)構(gòu)應(yīng)力法求解結(jié)果進(jìn)行對比。

兩種方法計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同分析方法結(jié)果對比

由表4可以看出:名義應(yīng)力估算結(jié)果與結(jié)構(gòu)應(yīng)力估算結(jié)果相差較大,這是因為柱腳危險焊縫結(jié)構(gòu)和受力模式較為復(fù)雜;在BS標(biāo)準(zhǔn)中無法找到與之匹配的接頭類型和受力模式,只能選用相近的類型,這也必然導(dǎo)致較大的估算誤差[18]。

由結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線構(gòu)成可知,其對接頭類型和受力模式不敏感,更適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和受力模式的焊接接頭的疲勞壽命估算。

4 基于響應(yīng)面法的危險焊縫優(yōu)化

由上述針對堆垛機柱腳連接部位的分析可知:焊接接頭是柱腳處最容易發(fā)生應(yīng)力集中和疲勞破壞的位置,因此,在提升堆垛機性能的設(shè)計中,應(yīng)重點關(guān)注該部位。

接下來,筆者將使用響應(yīng)面優(yōu)化法對影響焊縫受力的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化,以提高焊縫的抗疲勞性能。

4.1 參數(shù)化優(yōu)化模型構(gòu)建

柱腳環(huán)形焊縫的疲勞強度會受焊腳尺寸、母材厚度、加勁肋高度等尺寸的影響;但增加母材厚度,如增加立柱截面厚度,會增加堆垛機整體質(zhì)量,且會改變堆垛機整體力學(xué)性能,因此,需重新對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證。

由上述分析結(jié)果可知:加勁肋與立柱側(cè)焊縫所受疲勞載荷較小,疲勞壽命較高。因此,筆者以環(huán)形焊縫焊腳高h(yuǎn)K、寬wK、加勁肋高度h這些不影響整體結(jié)構(gòu)的局部尺寸為設(shè)計變量,以環(huán)形焊縫焊線處應(yīng)力σmax最小和危險焊縫質(zhì)量mmax最小為目標(biāo)函數(shù),對焊縫疲勞強度進(jìn)行優(yōu)化。

各尺寸所在位置,即設(shè)計變量位置如圖11所示。

圖11 設(shè)計變量位置

焊縫優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為:

(5)

式中:σmax為危險焊縫最大等效應(yīng)力;mmax為危險焊縫最大質(zhì)量。

4.2 響應(yīng)面優(yōu)化

響應(yīng)面優(yōu)化法使用代理模型代替真實模型進(jìn)行優(yōu)化分析,可有效縮短分析所用時間。

筆者基于Workbench,進(jìn)行危險焊縫的響應(yīng)面優(yōu)化,使用上述靜力學(xué)分析模型作為優(yōu)化分析的有限元模型(焊縫部分僅保留底部環(huán)形焊縫),并對相關(guān)尺寸和優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化處理;將靜力學(xué)結(jié)果導(dǎo)入響應(yīng)面優(yōu)化模塊,進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

筆者使用最佳空間填充設(shè)計(optimal space filling design,OSFD)生成試驗設(shè)計表,對生成的設(shè)計點進(jìn)行求解,得到響應(yīng)值,完成實驗設(shè)計;將實驗設(shè)計產(chǎn)生的樣本點和響應(yīng)值導(dǎo)入到響應(yīng)面模塊中,使用Kriging代理模型擬合得到響應(yīng)曲面(響應(yīng)面擬合精度會直接影響優(yōu)化結(jié)果的精度)。

響應(yīng)面擬合優(yōu)度圖如圖12所示。

圖12 響應(yīng)面擬合優(yōu)度圖

由圖12可以看出:該響應(yīng)面具有較高的擬合精度。

由敏感度圖可以直觀看出各設(shè)計變量對優(yōu)化目標(biāo)的影響。

各設(shè)計變量與應(yīng)力的敏感度圖如圖13所示。

圖13 應(yīng)力敏感度圖

由圖13可以看出:焊腳高(敏感度52.69%)和焊腳寬(敏感度-62.01%)對等效應(yīng)力影響最顯著。其中,焊腳高、加勁肋高與等效應(yīng)力值呈負(fù)相關(guān),焊腳寬與等效應(yīng)力值呈正相關(guān),增大焊腳高和加勁肋高,或者減小焊腳寬,皆可有效降低其應(yīng)力值。

完成響應(yīng)面搭建后,筆者使用Workbench中多目標(biāo)遺傳算法(multi-objective genetic algorithm,MOGA),對危險焊縫應(yīng)力等進(jìn)行優(yōu)化求解,得到3組候選點結(jié)果,如表5所示。

由表5可以看出:3組候選點結(jié)果差異不大。

由于減小焊縫處等效應(yīng)力為優(yōu)化的主要目標(biāo),故筆者選取第2組優(yōu)化結(jié)果為優(yōu)化的最優(yōu)解。筆者對各參數(shù)進(jìn)行圓整處理,處理后的尺寸如表5中的圓整尺寸組所示。

4.3 優(yōu)化結(jié)果分析

筆者將優(yōu)化前后的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對比。由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力對焊縫疲勞強度的描述更為準(zhǔn)確,因此,筆者將優(yōu)化前后的焊線結(jié)果導(dǎo)入Verity中求解結(jié)構(gòu)應(yīng)力,將結(jié)構(gòu)應(yīng)力也納入對比范圍中。

優(yōu)化結(jié)果與原方案結(jié)果對比情況如表6所示。

表6 優(yōu)化結(jié)果與原方案結(jié)果對比

由表6可以看出:通過適當(dāng)調(diào)整焊腳尺寸和加勁肋的高度,可以將焊線處結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小15%,有效提高危險焊縫疲勞強度;雖然焊縫的質(zhì)量增加了85%,但相較于堆垛機的整體質(zhì)量,加勁肋和焊縫增加的質(zhì)量對整體的影響可以忽略不計。

筆者對尺寸進(jìn)行優(yōu)化,在不改變堆垛機整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,可有效提高柱腳的整體疲勞強度。該成果可為堆垛機整體性能提升提供參考。

5 結(jié)束語

筆者采用了有限元分析與結(jié)構(gòu)應(yīng)力相結(jié)合的方法,確定了堆垛機危險焊縫的位置;然后,使用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法,求解了危險焊縫動載荷作用下的疲勞壽命;最后,使用響應(yīng)面優(yōu)化方法,對影響焊縫疲勞壽命的相關(guān)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,提高了柱腳危險焊縫疲勞強度。

研究結(jié)論如下:

1)堆垛機柱腳最易發(fā)生疲勞破壞的焊縫為環(huán)形焊縫,其最容易發(fā)生疲勞破壞的位置為環(huán)形焊縫立柱側(cè)焊線彎曲部位;

2)在極端工況下,柱腳危險焊縫的疲勞壽命可達(dá)27.14 y。在工作年限內(nèi),環(huán)形焊縫不會發(fā)生破壞;

3)在不影響焊接接頭結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上,適當(dāng)增大焊腳高度、減小焊腳寬度可以有效提高環(huán)形焊縫疲勞強度;

4)使用響應(yīng)面法對影響焊縫疲勞強度的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匹配,使危險焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低15%,有效提高了危險焊縫疲勞強度。

在后續(xù)的相關(guān)工作中,筆者將進(jìn)一步探討其他因素對堆垛機焊接接頭疲勞強度的影響規(guī)律,并設(shè)計相關(guān)疲勞試驗,對堆垛機焊接接頭進(jìn)行更全面深入的優(yōu)化研究。