基于Simufact的馬鈴薯收獲機懸掛架焊接仿真

張　建畢節市工業學校，貴州畢節551700

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基于Simufact的馬鈴薯收獲機懸掛架焊接仿真

張建
畢節市工業學校，貴州畢節551700

摘要：由于焊接部位的不均勻加熱及冷卻產生不同程度的應力和變形影響著馬鈴薯收獲機的制造質量和使用性能。本文運用Simufact-Welding軟件對馬鈴薯收獲機的懸掛架進行焊接仿真，分析了懸掛架在焊接過程中的溫度、變形、應力變化和分布情況，為探索焊條電弧焊提供了一種新方法。仿真結果表明：焊縫采樣點在X方向上的最大拉應力113 MPa，最大壓應力89 MPa；在Y方向上的最大拉應力184 MPa，最大壓應力429 MPa；Z方向上的最大拉應力64 MPa，最大壓應力323 MPa。焊縫處的應力集中于引弧和收弧處。焊接初始階段焊縫各采樣點處的t8/5時間在12.2 s到12.8 s之間，仿真結果和計算值基本吻合，但焊縫后部分各采樣點處的t8/5時間大于計算值。

關鍵詞：Simufact；懸掛架；馬鈴薯收獲機；仿真

國外工業發達國家的馬鈴薯收獲機懸掛架的焊接主要采用機器人進行自動化焊接，我國在焊接領域同國外先達國家還是有很大差距，馬鈴薯收獲機懸掛架的焊接目前仍處于焊條電弧焊階段。馬鈴薯收獲機的懸掛架是傳遞拖拉機牽引力和升降力的重要裝置，改善收獲機工作性能。懸掛架的制造過程中主要是利用焊條電弧焊進行焊接，焊接時，被焊金屬在熱源的作用下發生加熱和熔化過程，當熱源離開以后，金屬開始冷卻，在整個焊接過程中必然存在著熱的輸入、傳播和分布問題。由于焊接部位受不均勻的加熱及冷卻，產生不同程度的應力變形和應變，它影響著懸掛架的制造質量和使用性能，焊接結構破壞事故許多是由焊接應力和變形所引起[1-4]。本文運用Simufact軟件對馬鈴薯收獲機懸掛架進行焊接仿真。

1　焊條電弧焊傳熱的基本方式

1.1傳導

1.2對流

1.3熱輻射

式中：qr為熱流率（W）；ε為物體的黑度系數，它的值處于0～1之間；c0為Stefan-Boltzmann常熟，約為5.67 W/m2·K4；T1為焊件溫度（K）；T2為環境溫度（K）。

2　焊接過程三維導熱微分方程

式中：T為溫度值（K）；λ為熱導率（W/（m·K））；ρ為密度（kg/m3）；c為比定壓熱容（J/（kg·K））；q為熱流密度（W/m3）；x、y、z為坐標分量（m）。

3　高斯分布熱源本構方程

對于焊條電弧焊，由于熔深和挺度小，焊接熱源是移動的加熱斑點，因此，在加熱斑點上的熱流分布一般近似地用高斯分布函數來描述[5]。

式中：q（r）為距離熱源中心r處的熱流密度（J/（m2·s））；η為焊接熱效率（取0.8）；U為電弧電壓（V）；I為焊接電流（A）；rH為加熱斑點半徑（m），其中rH取0.015 m[6-8]。

4　焊接模型的建立

本文采用Solidworks軟件建立馬鈴薯收獲機懸掛架焊接實體模型，該模型由焊件、固定裝置、夾緊裝置和工作臺組成，將該模型導入Hypermesh進行體網格劃分，然后將劃分好的網格模型導入Simufact Welding中進行裝配并賦值，焊接電流180 A，電弧電壓25 V，焊接速度10.8 m/h，焊條直徑φ4.0，電弧長度控制在2 mm～4 mm，材料為Q345，環件溫度為20℃，導入Simufact Welding中的模型如圖1，由于計算機配置問題，本文只仿真了如圖1左側一條焊道，求解器類型為Multifrontal Direct Sparse Solver。

5　結果分析

圖2　4 s時的熱循環云圖Fig.2　The cloud chart of thermal cycle at 4 s

圖3　42 s時的熱循環云圖Fig.3　The cloud chart of thermal cycle at 42 s

圖4　4 s時的總變形云圖Fig.4　The cloud chart of total distortion at 4 s

圖5　42 s時的總變形云圖Fig.5　The cloud chart of total distortion at 42 s

在仿真過程中，焊接時熱源在移動，因此焊接溫度場也隨著熱源移動，由于在焊縫及近縫區上受熱作用的各點，其溫度隨時間而變，經受著從室溫到最高溫度，又從最高溫度降至室溫的熱循環，焊接是一個不均勻加熱的過程，焊縫上各點熱源溫度隨時間而變，在不同的采樣點上都經歷著不同加熱和冷卻的熱循環。在4 s和42 s時焊縫及近縫區的熱循環云圖如圖2和和圖3所示，熱源處峰值溫度在引弧、運條和收弧各不相同，收弧時峰值溫度最高。在4 s和42 s的總變形如圖4和圖5。焊縫處熱源采樣點1、2、3、4、5、6、7、23、24、25、26的溫度曲線如圖6所示，從圖中可以看出，焊縫采樣點處的溫度經歷著加熱和冷卻過程，加熱速度比冷卻速度快，焊縫引弧處的溫度比其它采樣點的溫度低，在3.28 s內達到657℃，引弧后焊縫處的前6個采樣點的最高溫度波動比較大，運條時焊縫處采樣點的溫度在1480℃上下浮動，但在收弧前3個采樣點和收弧時波動也比較大，收弧時的最高溫度可達到1127℃。焊縫處熱源采樣點1、2、3、4、5、6、7、23、24、25、26在X、Y、Z方向上的正應力如圖7、8、9所示，焊接時，焊件產生變形與應力的原因是由于焊件被焊時加熱不均勻所引起的，由于電弧熱作用，電弧附件周圍的金屬溫度顯著膨脹，加熱部分的金屬，根據受熱程度不同，就要相應的伸長，而未被加熱部分的金屬要維持原來的長度，因此加熱處伸長受到冷金屬的阻礙，限制了加熱金屬部分的自由伸長，于是加熱金屬便產生壓應力，而冷金屬部分產生拉應力。當加熱部分產生的壓應力超過金屬的屈服點時，就會產生塑性變形，當冷卻時，由于加熱的金屬在加熱時已產生了壓縮的塑性變形，因此最后的長度要比未被加熱的金屬的長度短些，但在這時，周圍的金屬又會阻礙它的縮短，結果在被加熱的焊縫金屬中產生了拉應力，而在周圍金屬中則產生了壓應力。從圖7、8、9中可以看出焊接時在X、Y、Z方向焊縫處的材料由拉應力過渡到壓應力，焊縫采樣點在X方向上的最大拉應力可達到113 MPa，最大壓應力可達到89 MPa，在Y方向上的拉應力最大可達到184 MPa，最大壓應力可達429 MPa，Z方向上的拉應力最大可達到64 MPa，最大壓應力可達323 MPa，焊縫處存在應力集中，在引弧和收收弧處的應力集中比其它采樣點處顯著。

圖6　采樣點溫度曲線Fig.6　The temperature curves at sampling points

圖7　采樣點X方向的正應力曲線Fig.7　The normalstresscurvesof X direction at sampling points

圖8　采樣點Y方向的正應力曲線Fig.8　The normalstresscurves ofY direction at sampling points

圖9　采樣點Z方向的正應力曲線Fig.9　The normalstress curves ofZ direction atsamplingpoints

6　仿真結果驗證

t8/5時間決定Q345鋼熱影響區組織和性能的主要參量，也是熱循環過程研究的主要內容，對其組織和性能有決定性作用，Q345鋼的不預熱的t8/5仿真結果圖如圖10，其實際t8/5如圖11[8]，從圖11中求出的不預熱t8/5時間值為12.5 s，從圖10中可以計算出焊接起始階段焊縫各采樣點處的t8/5時間在12.2 s到12.8 s之間浮動，仿真結果和計算值基本吻合，但焊縫后部分各采樣點處的t8/5時間比計算值大，這是由于輸入的熱量對未焊部位預熱引起的，與實際情況相符。

圖10　t8/5時間圖Fig.10　The chart of t8/5time

圖11　t8/5線算圖Fig.11　The t8/5chart of linear calculation

7　結論

本文利用了Simufact-Welding軟件對馬鈴薯收獲機懸掛架進行焊接仿真，對其焊縫處及近區母材的溫度場以及總變形進行模擬仿真，對焊縫處X、Y、Z的正應力分別進行分析，通過t8/5時間驗證了仿真結果，仿真結果和實際值基本吻合，直觀地觀察了焊條電弧焊焊接的整個過程。為探索焊條電弧焊提供了一種新方法，對提高馬鈴薯收獲機的制造質量和使用性能，預防焊接結構破壞事故發生，減少、乃至控制應力和變形有重要意義。此方法可有效快捷地研究金屬焊條電弧焊的規律，在生產效率與生產效益之間尋找平衡。

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The Welding Simulation for Potato Harvester Suspension Bracket Based on Simufact

ZHANG Jian
Bijie Polytechnical School, Bijie 551700，China

Abstract:Due to the welding areas affected by uneven heating and cooling to produce the different stress and distortion to cause the manufacturing quality and performance of potato harvester to drop，this paper explored a new method to make the welding simulation for potato harvester suspension bracket with Simufact-Welding software and analyzed the temperature，deformation，stress variation and distribution. The simulation results showed that the maximum tensile stress at X direction of the welding seam sample point was up to 113 MPa，the maximum compressive stress was 89 MPa；the maximum tensile stress at Y direction was up to 184 MPa，the maximum compressive stress was 429 MPa；the maximum tensile stress at Z direction was up to 64 MPa，the maximum compressive stress was 323 MPa. The stress at a welding seam concentrated on the striking arc and arc suppression. The welding seam sampling point t8/5time of the welding initial stage was between 12.2 s to 12.8 s to be consistent with the calculated value but it was greater after the welding seam sampling point.

Keywords:Simufact；suspension bracket；potato harvester；simulation

作者簡介：張建（1979-），男，高級講師，主要從事農業機械化工作. E-mail:zhangjianwy@yeah.net

收稿日期：2013-06-28修回日期：2013-09-05

中圖法分類號：TG444＋.1 S225.7＋1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-2324（2016）01-0092-03