基于IIW標準的礦山起重機主梁焊縫應力分析

趙鵬飛

（太原工業學院 機械工程系，山西 太原 030008）

0 引言

局部焊縫開裂，是設計生產過程中普遍存在卻非常棘手的問題。由于焊接接頭部位的焊接缺陷、應力集中和殘余拉伸應力的作用，導致焊接結構的疲勞強度較金屬母材的疲勞強度大幅降低，同時，金屬在焊接過程中總是存在不均勻熱循環，這會導致在接頭處產生殘余應力，進而引起裂紋，使接頭處強度下降，最終引起結構疲勞失效。所以，焊接接頭的抗疲勞性能直接關系著焊接結構件能否安全使用，即焊接結構件的疲勞強度主要取決于焊接接頭處的疲勞特性。

目前，國際普遍采用的焊縫疲勞壽命評估方法是國際焊接學會的IIW標準。IIW標準提供了大量的焊接工藝建議和豐富的鋼結構和鋁合金的焊接接頭抗疲勞設計數據。本文以IIW標準為依據，應用Hyper－Works軟件對某礦山起重機主梁在其小車運行過程中焊縫部位的應力狀態進行分析研究，并校核其疲勞強度，得到焊縫的疲勞強度性能，為同類產品的設計提供參考。

1 礦山起重機主梁焊縫分析

本文所研究的某礦山起重機采用工字主梁與桁架支撐相結合的結構，上下表面以水平桁架構成；主梁兩端為凹形，小車軌道安裝在主梁結構側面；起重機主梁由左右兩側組成，梁中間分布有腹板，不同尺寸的腹板通過焊接工藝連接在主梁結構中。

起重機主梁結構以板殼結構為主，在受載時易產生彎曲扭轉復合變形，從而導致主梁焊縫出現疲勞現象。由于主梁上距離支撐位置越遠處彎矩和扭矩越大，故該主梁結構中主要承載焊縫在圖1所示的左側主腹板與下蓋板連接焊縫1（左右兩焊縫距離160mm）、左側副腹板與下蓋板連接焊縫2（左右兩焊縫距離70mm）、右側副腹板與下蓋板連接焊縫3（左右兩焊縫距離70mm）3個位于主梁中部的位置。同時，由于該3組焊縫均由2個緊鄰的焊縫組成，結構上易出現疲勞。因此本文應用表面應力外推法，在HyperWorks框架下分析3處焊縫的應力。

圖1 主梁焊縫位置示意圖

2 載荷工況的計算

在移動載荷作用下，橋式起重機主梁焊接結構其某一截面的內力、位移及支座反力都會隨著移動載荷所在位置變化而變化，并且小車在橋架主梁上沿軌道運行位于不同位置時，對主梁應力應變的影響也不盡相同。因此，要想全面了解主梁某一特定截面的內力、位移、應力或反力的大小，以及在什么情況下這些應力和位移將有最大值，僅分析最大載荷作用在橋架端部極限位置和跨距中部是不夠的。當小車靠近焊縫時，焊縫鄰近區域的應力勢必會增大；而當小車遠離焊縫時，焊縫鄰近區域的應力就會隨之減小。對于以上與移動載荷有關的問題，應采用影響線法予以解決。綜上所述，為能更好地了解在小車運行過程中焊縫的應力變化規律，本文對前述焊縫鄰近區域進行了應力影響線分析，以便能捕捉到在小車運行的整個行程中焊縫鄰近區域的應力最大值。為此本文在主梁的全跨度上共取25個位置進行計算。

3 計算結果與分析

圖2為利用HyperWorks分析得到的小車運行整個行程中焊縫鄰近區域Von Mises等效應力分布云圖。

圖2 焊縫鄰近區域Von Mises等效應力分布云圖

圖3為在小車整個運行過程中焊縫熱點應力的分布曲線。從圖3（a）可以看出，當運行小車勻速滿載由左極限位置向跨中及右極限位置行進的過程中，在主梁左側的焊縫區域內，焊縫熱點應力峰值由小逐漸增大，并在小車經過焊縫區域時達到最大，最大值為65.26MPa，隨后，小車向右極限位置行進，左側焊縫區域的應力峰值逐漸減小。

從圖3（b）可以看出，當運行小車勻速滿載由左極限位置向跨中及右極限位置行進過程中，在主梁右側的焊縫區域內，焊縫熱點應力峰值由小逐漸增大，并在小車經過焊縫區域時達到最大，最大值為56.38MPa，隨后，右側焊縫區域的應力峰值在一定范圍內震蕩，之后逐漸減小。

4 結論

在IIW國際焊接標準中，常見的焊接接頭結構熱點應力疲勞強度FAT值范圍均在90MPa～100MPa，而以上所分析的焊縫各熱點應力均不超過70MPa。由此可見，這些焊縫的設計疲勞強度均能滿足要求。在工程中，若焊縫質量檢驗結果合格，保證焊縫無缺陷，同時采取適當措施消除結構的殘余應力，則上述焊縫結構不會影響起重機正常工作的設計使用壽命。

圖3 焊縫熱點應力分布變化曲線

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