混凝土泵車高強鋼臂架焊縫疲勞壽命預估

佘玲娟,尹 莉,鐘 懿

(1.中聯重科股份有限公司 總部研究院,長沙 410013; 2.建設機械關鍵技術國家重點實驗室,長沙 410013)

高強鋼臂架是混凝土泵車的主要承載結構件,其結構復雜,工作環(huán)境惡劣,長期處于隨機的高載荷循環(huán)作用下.作為典型的焊接結構,在多種因素的共同作用中,混凝土泵車高強鋼臂架在焊接熱應力區(qū)域、較大應力集中區(qū)域或結構不連續(xù)區(qū)域易產生疲勞開裂.傳統的疲勞壽命評估方法以名義應力為基本參數,但對于復雜焊接結構,尤其是缺口敏感性高的高強鋼焊接結構,不管是名義應力法還是熱點應力法,都存在焊接接頭難以分類、S-N曲線難以界定的困難,如果采用此種方法進行疲勞壽命預估,必然會造成較大誤差.

在焊接結構疲勞分析領域,比較先進的方法是Battelle公司研發(fā)的等效結構應力法,以及Chalmers大學和沃爾沃汽車公司合作開發(fā)的VOLVO法.此兩種方法已被ASME標準和大型商業(yè)有限元軟件所采用,具有預測精度高、適應性好、偏安全的特點,但目前還未在高強鋼臂架設計領域中使用.本文將介紹上述兩種方法的分析原理,并以某型號混凝土泵車高強鋼臂架為研究對象,對焊縫區(qū)域進行虛擬疲勞分析并開展臺架實驗驗證,進而比較兩種方法在高強鋼焊縫結構中的適用性.

1 焊縫疲勞壽命預估原理

1.1 等效結構應力法

等效結構應力法是由美國著名科技研發(fā)公司Battelle下設的焊接結構研究中心技術主任、華裔學者董平沙等[1-2],于21世紀初提出的一種新型焊接結構疲勞壽命預測技術,可廣泛應用于不同工業(yè)領域的各類形式焊接承載部件的焊趾疲勞分析.

等效結構應力法考慮焊趾部位的結構應力集中效應,應用改進線性化法或節(jié)點力法分析結構應力,確保計算結果對有限單元類型、網格形狀及尺寸的不敏感,從而有效區(qū)分不同類型焊接接頭的焊趾結構應力集中情形;以結構應力為控制參數計算應力強度因子,在主要考慮焊趾缺口、結構板厚、載荷模式等因素影響基礎上,基于斷裂力學分析確定與焊縫疲勞壽命直接相關的應力參數,導出等效結構應力轉化方程為

(1)

式中:m=3.6;t為板厚;I(r)為彎曲度比r的無量綱函數(R=Δσb/Δσs);ΔSs為等效應力范圍.

基于上述應力計算和轉化方法對焊縫疲勞實驗數據進行處理,建立焊縫疲勞強度設計單一主S-N曲線[3-6],實現對鋼結構焊縫的疲勞強度評定和壽命預測.

1.2 VOLVO焊縫疲勞分析法

在德國LBF研究中心提出的點焊疲勞壽命計算方法[7-8]的基礎上,Chalmers大學和沃爾沃汽車公司合作并提出了基于有限元法進行焊縫疲勞壽命估算的有效方法——“VOLVO”方法[9],目前此方法已集成在一些疲勞分析軟件中,是一種較為成熟的焊縫疲勞壽命預測方法.該方法對焊縫有限元建模有明確要求,規(guī)定采用4節(jié)點殼單元模擬焊縫,焊縫單元與鈑金成45°角.焊縫單元的節(jié)點應落在焊趾處,焊縫周圍的單元均應為4節(jié)點殼單元,不能有三角形單元出現.焊縫疲勞分析中的S-N曲線,由軟件根據焊趾點處的彎曲率對兩條已知S-N曲線(柔性和剛性S-N曲線)自動插值得到(見圖1).此方法先分別計算焊趾點上、下表面的應力歷程,根據應力歷程計算彎曲率,確定S-N曲線,再對焊趾點上表面的應力歷程進行雨流統計和損傷累計,最終得出焊縫的疲勞壽命.

圖1 焊縫剛性和柔性S-N曲線Fig.1 Rigid and flexible S-N curves of the weld

2 焊縫疲勞強度校核及虛擬疲勞分析

2.1 有限元應力分析

所分析的某混凝土泵車高強鋼臂架是通過直焊縫、角焊縫和環(huán)焊縫3種形式的焊縫連接而成,大量實際構件失效情況表明,臂架主要疲勞失效部位位于距臂頭鉸點690 mm左右的高應力區(qū)域,此區(qū)域主要為角焊縫,關鍵焊縫共計8條.考慮到模型的幾何對稱性,僅對一半的模型劃分網格,并根據上述兩種焊縫疲勞壽命估算方法的建模原則,建立焊縫有限元模型,上蓋板與腹板外側的焊縫1、下蓋板與腹板外側的焊縫2、加強板1與腹板內側的焊縫3以及加強板2與腹板內側的焊縫4,具體情況如圖2所示.根據臂架實際受力進行等效損傷估算,在距離臂頭鉸點7 000 mm處施加載荷,最大軸向拉力4.6 kN,最大軸向壓力3.68 kN.

計算得到Mises應力云圖如圖3所示,臂架在焊縫3與焊縫4區(qū)域的應力較大.在4.6 kN軸向拉應力下,焊縫3附近區(qū)域的最大應力為411.64 MPa,焊縫4附近區(qū)域的最大應力為433.10 MPa.由應力分布情況可知,臂架內部加強板雖然提高了臂架整體的抗彎扭性,但焊縫的增加帶來附近區(qū)域的應力分布不連續(xù),極易造成焊縫局部區(qū)域的應力集中.

2.2 疲勞壽命分析

2.2.1基于等效結構應力法的疲勞壽命分析

等效結構應力法在有限元分析結果基礎上,針對板殼、實體等結構連接形式,專門開發(fā)計算等效結構應力的程序,使得最后的應力計算結果不具有網格敏感性.根據等效結構應力法規(guī)定,提取焊縫處節(jié)點力,定義相關的焊線屬性與參數[10],計算得到焊縫區(qū)域的疲勞壽命云圖(見圖4).從圖4中可以看出:焊縫(焊縫3、焊縫4)與臂架腹板連接拐角處為疲勞強度薄弱點,最危險區(qū)域為焊縫3附近上蓋板與腹板交匯處,此處的疲勞壽命約為104.266=18 450次.

圖2 臂架焊縫有限元建模Fig.2 Finite element models of weld seams inthe high strength steel boom structure

2.2.2基于VOLVO法的疲勞壽命分析

基于有限元靜強度分析結果,利用VOLVO焊縫疲勞計算方法,對高強鋼臂架焊縫的疲勞壽命進行了計算,結果如圖5所示.由圖5可知,應力集中區(qū)域位于焊縫4附近靠近上蓋板的腹板處(即2#與3#位置)、焊縫3附近腹板與上蓋板交匯處(即1#位置),以及焊縫4附近靠近下蓋板的腹板處(即4#與5#位置),具體疲勞壽命和損傷值如表1所示.表1列出損傷值由大到小排列的前10個焊縫節(jié)點的疲勞壽命,可見2#位置處(位于焊縫4附近靠近上蓋板的腹板)第1 650#和1 651#節(jié)點的損傷最大、壽命最短,其疲勞壽命為11 771次.同時,表1給出每個節(jié)點在當前載荷下的撓度比,以判斷該點的受力狀態(tài),可知前10個危險節(jié)點的撓度比都小于給定的撓度門限值0.5[11],受軸向拉力為主,這與高強鋼臂架實際受力情況完全吻合.

圖3 Mises應力云圖Fig.3 Mises stress contour plot

圖4 等效結構應力法計算的疲勞壽命云圖Fig.4 The contour plot of fatigue life assessment byequivalent structural stress method

圖5 VOLVO法計算的疲勞壽命云圖Fig.5 The contour plot of fatigue life assessment byVOVLO method

節(jié)點號壽命/次損傷值/10-5撓度比位置1 65011 7718.4960.2862#1 65111 7718.4960.2862#44 65813 3887.4700.3342#1 96613 7867.2540.2673#45 09213 7867.2540.2673#40 72415 2226.5690.0631#2 11815 7126.3650.3015#44 62315 7126.3650.3015#2 17916 2616.1500.2844#45 03318 8425.3080.3274#

3 臺架疲勞實驗研究

按照實際生產制造工藝制作出混凝土泵車高強鋼臂架,共計2件,在電液伺服加載系統上開展臺架疲勞實驗研究.實驗臺架及疲勞實驗現場如圖6所示,疲勞加載過程采用力控制方式,加載力大小同計算載荷,加載頻率為0.5 Hz,加載波形為正弦波.

圖6 疲勞實驗現場示意圖Fig.6 The scene of the fatigue test

實驗結果與虛擬分析對比關系,以及疲勞裂紋起始位置分別如表2和圖7所示.可以看出:等效結構應力法、VOLVO方法的仿真結果與實驗結果的誤差分別為27.3%和12.5%,都能較準確地預估高強鋼臂架疲勞壽命.相比等效結構應力法,VOLVO方法更適用于高強鋼臂架的焊縫疲勞壽命預估,其估算值更加準確,預估的起裂位置與實際情況更加吻合.因此,可以在設計階段應用VOLVO法進行虛擬疲勞分析,從而預先避免不合理的結構形式,減少物理樣機臺架實驗,縮短產品開發(fā)周期,降低研發(fā)成本.

表2 臺架實驗與虛擬分析的比較Tab.2 Comparison betweenrig tests and virtual analysis

圖7 臺架實驗試樣的起裂位置Fig.7 The initiation location of rig test specimens

4 結論

本文針對某型號混凝土泵車上高強鋼臂架焊縫的疲勞壽命,開展虛擬疲勞分析與臺架實驗研究,得出以下結論:

(1) 混凝土泵車高強鋼臂架加強板處的焊縫區(qū)域存在比較嚴重的應力集中,在設計制作過程中需確保焊接質量.同時,避免在拐角焊縫處起弧熄弧,并采取適當措施保證腹板與加強板之間平緩過渡,以減少焊縫的應力集中程度,提高焊縫的疲勞壽命,延長混凝土泵車的使用期限.

(2) 等效結構應力法和VOLVO焊縫疲勞壽命分析方法均能較準確地預測焊縫區(qū)域的疲勞壽命,并給出結構中所有關鍵焊縫整體的壽命分布情況,為焊縫形式及布置位置的設計改進、危險焊接部位的焊接質量控制提供有價值的參考信息.

(3) 相比等效結構應力法,VOLVO焊縫疲勞壽命分析方法更適用于高強鋼臂架的焊縫疲勞壽命的評估.