板焊前軸疲勞強度壽命分析

王愚山，張驍悍，朱秋寧（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

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板焊前軸疲勞強度壽命分析

王愚山，張驍悍，朱秋寧
（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

摘 要：文章采用汽車結構疲勞與可靠性設計的理論和方法，并使用焊縫疲勞強度分析方法，運用疲勞分析軟件FE-SAFE對板焊前軸進行等幅載荷作用下的綜合仿真疲勞壽命分析，并與試驗數據進行對比分析，得出該仿真分析能很好的預測斷裂位置，仿真分析與試驗數據接近，從而驗證了該仿真壽命分析的準確性，為板焊前軸設計提供依據。

關鍵詞：板焊前軸；疲勞強度；仿真分析；疲勞實驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.041

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-111-03

前言

礦用自卸車行駛路面惡劣，以低速重載為主，前軸作為地盤系統的關鍵零部件總成，有著承載、轉向等重要作用。因此，前軸的疲勞強度可靠性對其設計有著重要的作用。由于礦用車使用量小，故常采用板焊前軸以降低成本，但是，板焊前軸焊縫多，尤其在主銷座處，彈簧墊板處，焊縫復雜，這大大降低了板焊前軸的疲勞強度壽命。

圖1 板焊前軸三維模型圖

目前，對前軸的分析，大多僅限于靜強度的校核，或者是橋殼材料的疲勞強度分析，而忽略了焊縫的影響。本文依據板焊前軸不同位置處的不同應力狀態以及焊縫類型對焊縫進行強度分級，通過焊縫質量等級S-N曲線，使用疲勞分析軟件FE-SAFE，對板焊前軸的綜合疲勞強度可靠性進行分析，并通過試驗進行驗證。

1、基于FE-SAFE的橋殼疲勞壽命分析

在仿真分析時x、y、z—采用車輛前進坐標系，x指向車輛前進方向，y指向前進方向的左側，z軸豎直向上。

圖2 疲勞加載曲線

在橋殼兩板簧中心處分別施加z方向載荷，分別在左右側車輪中心處施加1、3、5、6自由度的約束，在2.5倍載荷下按正弦曲線加載，加載頻率5Hz，加載曲線按圖2所示。

在分析時將橋殼分為兩部分，一分部為受焊縫影響的疲勞分析，即焊接疲勞分析；另一部分為基于橋殼材料Q345的疲勞壽命分析。

1.1 名義應力準則方法

焊縫的疲勞強度和橋殼板材的疲勞強度均可通過名義應力準則方法進行分析。見圖3.在計算結構的疲勞強度時，考慮應力集中系數、零件尺寸系數 、表面系數Kt、平均應力系數。

由于采用了有限元的方法進行疲勞壽命計算，因此有效應力集中系數由模型幾何和模型的應力響應決定。

圖3 Q345試樣S-N曲線（r=-1）

1.1.1 表面狀態系數Kt及疲勞缺口系數的確定

圖4 表面修正參數線圖[5]

1.1.2 尺寸系數的確定

1.1.3 上板Von-mises應力與下板拉伸平均應力的疲勞極限

圖5 極限應力線圖

1.1.4 仿真橋殼的S-N曲線

圖6 修正后橋殼的S-N曲線

1.1.5 焊縫S-N曲線

不同的焊接接頭形式不可避免的存在應力集中問題，直接作用結果就是產生缺口效應，不同的缺口效應對應不用的缺口等級，而不同的缺口等級對應于不同的疲勞質量等級，因此不同的焊接接頭的疲勞質量就可以用缺口效應來評定。目前，國際上有關焊接接頭的疲勞強度設計大多采用質量等級S-N曲線確定焊接接頭的疲勞質量。所有級別的S-N在雙對數坐標系中相互平行，各疲勞曲線具有97.7%的存活率[4]。板焊前軸如圖9.A主銷支座處為角焊縫，受拉應力作用，焊縫質量等級為二級，焊后熱處理去殘余應力，由BS7608可知，該處焊縫缺口效應為中弱缺口效應，選如圖7.中S-N曲線C；B處焊縫為坡口焊縫加角焊縫，焊縫均勻，無殘余應力，實際工況下所受的應力幅值較小，缺口效應為因此選如圖7.中S-N曲線B。

N—總壽命；

S—名義應力的幅值；

K0—焊縫特征參數；

m—焊縫S-N曲線斜率，對于軋制或擠壓型材，邊緣經機械加工，無縫鋼管m=5，其余結構鋼m=3；

△—焊縫疲勞壽命的標準偏差；

d—正態分布標準偏差的分位點。

圖7 BS7608標準下的焊縫S-N曲線[5]

2、橋殼疲勞試驗

橋殼疲勞試驗的邊界條件按QC/T 533-1999《汽車驅動橋臺架試驗方法》進行設置。

3、分析結果與試驗結果對比

3.1 仿真分析結果

圖9 FE-SAFE疲勞分析結果

表1 仿真分析結果

3.2 實驗結果

表2 疲勞試驗結果

4、結論

通過本次設計分析，得出以下結論：

（1）理論分析的疲勞裂紋出現位置與試驗結果吻合，可以較好的預測斷裂位置和壽命，在設計時可以通過與成熟產品進行對比分析進而確定設計參數。

（2）試驗數據與理論數據接近，但試驗數據離散度大。疲勞壽命數據分散的原因很多，材質本身的不均勻性、試樣加工質量及尺寸差異、試驗載荷誤差、試驗環境(溫度、濕度)、焊接接頭材料組織性能變化、焊接缺陷和殘余應力的影響及其他因素，都會引起試驗壽命的分散。

參考文獻

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[4] 張彥華焊接強度分析[M].西北工業大學出版社,2011.

[5] Fatigue design and assessment of steel structures[S]. British Standard Institution，1993.

Fatigue Strength Reliability Analysis of Welding Front Axle of Mining Dump Truck

Wang Yushan, Zhang Xiaohan, Zhu Qiuning
( Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201 )

Abstract:This paper use the car structure fatigue and reliability design theory and method, andWeld Fatigue Strength method. Fatigue analysis software is used to evaluate the plank and weld life. The fatigue life under constant amplitude loading simulation and experimental results were analyzed, at the same time, considering the fatigue strength of survival rate and weld fatigue life. It is concluded that the simulation can predict the fracture location well and is close to experimental data to validate the simulation has a certain accuracy.

Keywords:Welding Front Axle; Fatigue Strength; The Simulation Analysis; Fatigue Test

作者簡介：王愚山，就職于陜西漢德車橋有限公司。

中圖分類號：U467.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-111-03