竇麗英，劉大維

(青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071)

舉升機(jī)構(gòu)是自卸汽車上的重要裝置之一，液壓缸作為舉升機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件，其強(qiáng)度直接影響自卸汽車的整車性能，因此對(duì)液壓缸強(qiáng)度進(jìn)行研究十分必要。近年來，許多學(xué)者和生產(chǎn)企業(yè)對(duì)舉升液壓缸進(jìn)行了大量的研究［1－4］。由于液壓缸在工作中不斷受到壓力沖擊，焊接部位的強(qiáng)度成為液壓缸能否正常工作的關(guān)鍵。本文利用有限元軟件HyperMesh對(duì)液壓缸焊接部位采用不同焊接單元進(jìn)行模擬焊接，分析在液壓力作用下焊接部位的應(yīng)力分布，探討液壓缸合理的焊接形式。

1 液壓缸有限元分析模型

某自卸汽車F式舉升機(jī)構(gòu)液壓缸由缸筒和缸蓋、活塞和推桿、底座和底座軸、密封裝置、緩沖裝置等組成，如圖1所示。在實(shí)際裝配中液壓缸的兩端分別與車廂和舉升支架鉸接，底座和底座軸以及底座和缸筒采用焊接連接，液壓缸的水平安裝尺寸為1 275mm，缸筒內(nèi)徑為198mm。

圖1 舉升液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 模型的建立

液壓缸有限元計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分是在有限元軟件HyperMesh中進(jìn)行的。根據(jù)液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，缸蓋采用四面體單元(TETRA)進(jìn)行劃分，其余部件采用六面體單元(CHEXA)進(jìn)行劃分，液壓缸底座和底座軸以及底座和缸筒采用焊接單元進(jìn)行連接。HyperMesh中提供了多種模擬焊接方法，如采用3D實(shí)體單元、殼單元、1D梁?jiǎn)卧饶M焊接，這些模擬焊接方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。1D焊接單元(Rbar)在生成時(shí)操作簡(jiǎn)單并且計(jì)算量小，在模擬焊接時(shí)得到廣泛應(yīng)用;3D焊接單元(Penta)可以根據(jù)焊點(diǎn)信息自動(dòng)生成，并能準(zhǔn)確模擬焊點(diǎn)信息，且不增加局部剛度。本文分別采用這兩種焊接單元對(duì)液壓缸焊接部位進(jìn)行模擬焊接［5－6］。

1)1D焊接單元。

1D焊接單元由Spotweld面板生成，采用1D焊接單元對(duì)液壓缸焊接部位進(jìn)行模擬焊接并對(duì)生成的1D焊接單元進(jìn)行檢查，看有無自由端、是否主節(jié)點(diǎn)相連、是否從節(jié)點(diǎn)相連，最終生成合格的焊接單元［7］。

2)3D焊接單元。

3D焊接單元由Seam面板生成，Seam模塊作為HyperMesh軟件中的一個(gè)重要模塊，其快速自動(dòng)焊接的功能非常強(qiáng)大［5，8］。3D焊接單元由五面體單元和RBE3單元組成，如圖2所示。

圖2 3D焊接單元

對(duì)液壓缸有限元模型進(jìn)行單元質(zhì)量、重復(fù)節(jié)點(diǎn)與重復(fù)單元、自由邊檢查，最終生成有限元模型。整個(gè)液壓缸有限元模型由287 245個(gè)單元、233 067個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。液壓缸有限元模型如圖3所示，液壓缸焊接部位具體焊接方法如圖4所示。

圖3 液壓缸有限元模型

圖4 液壓缸焊接部位的焊接方法

1.2 材料與屬性

計(jì)算中所使用的材料參數(shù)見表1。

1.3 載荷與邊界條件

自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)是以液壓缸作為驅(qū)動(dòng)部件的，實(shí)際裝配中液壓缸上部的推桿頭與車廂鉸接，下部的底座軸與舉升機(jī)構(gòu)的構(gòu)件——舉升架鉸接。分析計(jì)算時(shí)，在液壓缸有限元模型的缸筒內(nèi)施加20MPa均布載荷，推桿頭和底座軸均約束了x，y，z方向的平動(dòng)自由度和y，z方向的旋轉(zhuǎn)自由度。

表1 液壓缸零部件材料參數(shù)

2 液壓缸有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 底座和底座軸焊接部位計(jì)算結(jié)果及分析

由于本文主要探討液壓缸焊接部位的模擬焊接方法，所以只給出了液壓缸被焊件的應(yīng)力云圖。采用1D焊接單元模擬焊接的液壓缸底座和底座軸焊接部位的應(yīng)力分布如圖5所示，采用3D焊接單元模擬焊接的液壓缸底座和底座軸焊接部位的應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5 采用1D焊接單元模擬焊接的液壓缸底座和底座軸處的應(yīng)力分布

圖6 采用3D焊接單元模擬焊接的液壓缸底座和底座軸處的應(yīng)力分布

從圖5可以看出，使用1D焊接單元模擬焊接時(shí)，底座和底座軸焊接部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為545.5MPa，底座軸所用材料的屈服極限是315MPa，底座所用材料的屈服極限是345MPa，應(yīng)力集中部位的最大應(yīng)力均超過了材料的屈服極限［9］。

從圖6可以看出，底座和底座軸焊接處的應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)力是308.5MPa，低于材料的屈服極限并遠(yuǎn)低于使用1D焊接單元模擬焊接的結(jié)果 545.5MPa。

2.2 缸筒焊接部位計(jì)算結(jié)果及分析

采用1D焊接單元模擬焊接的缸筒焊接部位局部的應(yīng)力分布如圖7所示，采用3D焊接單元模擬焊接的缸筒焊接部位局部的應(yīng)力分布如圖8所示。

圖7 采用1D焊接單元模擬焊接的缸筒焊接部位局部的應(yīng)力分布

圖8 采用3D焊接單元模擬焊接的缸筒焊接部位局部的應(yīng)力分布

由圖7和圖8可以看出，1D焊接單元對(duì)底座和缸筒的模擬焊接出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，3D焊接單元對(duì)底座和缸筒的模擬焊接最大應(yīng)力出現(xiàn)在筒壁內(nèi)側(cè)，為171MPa，遠(yuǎn)小于使用1D焊接單元模擬焊接的最大應(yīng)力232MPa。

在實(shí)際使用中液壓缸的焊接部位并沒有產(chǎn)生強(qiáng)度不足的問題，從兩種有限元模擬焊接結(jié)果來看，采用1D焊接單元對(duì)液壓缸的模擬焊接出現(xiàn)了不符合實(shí)際情況的較大的應(yīng)力集中，采用3D焊接單元對(duì)液壓缸的模擬焊接比較符合實(shí)際，并在改善應(yīng)力集中方面效果明顯。上述兩種模擬焊接方法雖然在一定程度上反映了焊接部位的應(yīng)力情況，但都存在一定的局限性，尚需試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

本文建立了自卸汽車舉升液壓缸的有限元模型，對(duì)液壓缸焊接部位分別采用1D焊接單元和3D焊接單元進(jìn)行模擬焊接，在確定了邊界條件和加載方式后對(duì)液壓缸有限元模型進(jìn)行分析，得到了液壓缸焊接部位采用1D梁?jiǎn)卧?D實(shí)體單元進(jìn)行模擬焊接的應(yīng)力分布圖。經(jīng)過對(duì)液壓缸有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)際使用情況的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用3D焊接單元對(duì)液壓缸焊接部位的模擬焊接更符合實(shí)際情況。

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