張　建畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州畢節(jié)551700

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基于Simufact的馬鈴薯收獲機(jī)懸掛架焊接仿真

張建
畢節(jié)市工業(yè)學(xué)校，貴州畢節(jié)551700

摘要：由于焊接部位的不均勻加熱及冷卻產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力和變形影響著馬鈴薯收獲機(jī)的制造質(zhì)量和使用性能。本文運(yùn)用Simufact-Welding軟件對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)的懸掛架進(jìn)行焊接仿真，分析了懸掛架在焊接過(guò)程中的溫度、變形、應(yīng)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(jié)果表明：焊縫采樣點(diǎn)在X方向上的最大拉應(yīng)力113 MPa，最大壓應(yīng)力89 MPa；在Y方向上的最大拉應(yīng)力184 MPa，最大壓應(yīng)力429 MPa；Z方向上的最大拉應(yīng)力64 MPa，最大壓應(yīng)力323 MPa。焊縫處的應(yīng)力集中于引弧和收弧處。焊接初始階段焊縫各采樣點(diǎn)處的t8/5時(shí)間在12.2 s到12.8 s之間，仿真結(jié)果和計(jì)算值基本吻合，但焊縫后部分各采樣點(diǎn)處的t8/5時(shí)間大于計(jì)算值。

關(guān)鍵詞：Simufact；懸掛架；馬鈴薯收獲機(jī)；仿真

國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的馬鈴薯收獲機(jī)懸掛架的焊接主要采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化焊接，我國(guó)在焊接領(lǐng)域同國(guó)外先達(dá)國(guó)家還是有很大差距，馬鈴薯收獲機(jī)懸掛架的焊接目前仍處于焊條電弧焊階段。馬鈴薯收獲機(jī)的懸掛架是傳遞拖拉機(jī)牽引力和升降力的重要裝置，改善收獲機(jī)工作性能。懸掛架的制造過(guò)程中主要是利用焊條電弧焊進(jìn)行焊接，焊接時(shí)，被焊金屬在熱源的作用下發(fā)生加熱和熔化過(guò)程，當(dāng)熱源離開(kāi)以后，金屬開(kāi)始冷卻，在整個(gè)焊接過(guò)程中必然存在著熱的輸入、傳播和分布問(wèn)題。由于焊接部位受不均勻的加熱及冷卻，產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力變形和應(yīng)變，它影響著懸掛架的制造質(zhì)量和使用性能，焊接結(jié)構(gòu)破壞事故許多是由焊接應(yīng)力和變形所引起[1-4]。本文運(yùn)用Simufact軟件對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)懸掛架進(jìn)行焊接仿真。

1　焊條電弧焊?jìng)鳠岬幕痉绞?/h2>

1.1傳導(dǎo)

1.2對(duì)流

1.3熱輻射

式中：qr為熱流率（W）；ε為物體的黑度系數(shù)，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(huán)境溫度（K）。

2　焊接過(guò)程三維導(dǎo)熱微分方程

式中：T為溫度值（K）；λ為熱導(dǎo)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(biāo)分量（m）。

3　高斯分布熱源本構(gòu)方程

對(duì)于焊條電弧焊，由于熔深和挺度小，焊接熱源是移動(dòng)的加熱斑點(diǎn)，因此，在加熱斑點(diǎn)上的熱流分布一般近似地用高斯分布函數(shù)來(lái)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(diǎn)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(jī)懸掛架焊接實(shí)體模型，該模型由焊件、固定裝置、夾緊裝置和工作臺(tái)組成，將該模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，然后將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Simufact Welding中進(jìn)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(zhǎng)度控制在2 mm～4 mm，材料為Q345，環(huán)件溫度為20℃，導(dǎo)入Simufact Welding中的模型如圖1，由于計(jì)算機(jī)配置問(wèn)題，本文只仿真了如圖1左側(cè)一條焊道，求解器類型為Multifrontal Direct Sparse Solver。

5　結(jié)果分析

圖2　4 s時(shí)的熱循環(huán)云圖Fig.2　The cloud chart of thermal cycle at 4 s

圖3　42 s時(shí)的熱循環(huán)云圖Fig.3　The cloud chart of thermal cycle at 42 s

圖4　4 s時(shí)的總變形云圖Fig.4　The cloud chart of total distortion at 4 s

圖5　42 s時(shí)的總變形云圖Fig.5　The cloud chart of total distortion at 42 s

在仿真過(guò)程中，焊接時(shí)熱源在移動(dòng)，因此焊接溫度場(chǎng)也隨著熱源移動(dòng)，由于在焊縫及近縫區(qū)上受熱作用的各點(diǎn)，其溫度隨時(shí)間而變，經(jīng)受著從室溫到最高溫度，又從最高溫度降至室溫的熱循環(huán)，焊接是一個(gè)不均勻加熱的過(guò)程，焊縫上各點(diǎn)熱源溫度隨時(shí)間而變，在不同的采樣點(diǎn)上都經(jīng)歷著不同加熱和冷卻的熱循環(huán)。在4 s和42 s時(shí)焊縫及近縫區(qū)的熱循環(huán)云圖如圖2和和圖3所示，熱源處峰值溫度在引弧、運(yùn)條和收弧各不相同，收弧時(shí)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(diǎn)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(diǎn)處的溫度經(jīng)歷著加熱和冷卻過(guò)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(diǎn)的溫度低，在3.28 s內(nèi)達(dá)到657℃，引弧后焊縫處的前6個(gè)采樣點(diǎn)的最高溫度波動(dòng)比較大，運(yùn)條時(shí)焊縫處采樣點(diǎn)的溫度在1480℃上下浮動(dòng)，但在收弧前3個(gè)采樣點(diǎn)和收弧時(shí)波動(dòng)也比較大，收弧時(shí)的最高溫度可達(dá)到1127℃。焊縫處熱源采樣點(diǎn)1、2、3、4、5、6、7、23、24、25、26在X、Y、Z方向上的正應(yīng)力如圖7、8、9所示，焊接時(shí)，焊件產(chǎn)生變形與應(yīng)力的原因是由于焊件被焊時(shí)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(jù)受熱程度不同，就要相應(yīng)的伸長(zhǎng)，而未被加熱部分的金屬要維持原來(lái)的長(zhǎng)度，因此加熱處伸長(zhǎng)受到冷金屬的阻礙，限制了加熱金屬部分的自由伸長(zhǎng)，于是加熱金屬便產(chǎn)生壓應(yīng)力，而冷金屬部分產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)加熱部分產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過(guò)金屬的屈服點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)冷卻時(shí)，由于加熱的金屬在加熱時(shí)已產(chǎn)生了壓縮的塑性變形，因此最后的長(zhǎng)度要比未被加熱的金屬的長(zhǎng)度短些，但在這時(shí)，周圍的金屬又會(huì)阻礙它的縮短，結(jié)果在被加熱的焊縫金屬中產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而在周圍金屬中則產(chǎn)生了壓應(yīng)力。從圖7、8、9中可以看出焊接時(shí)在X、Y、Z方向焊縫處的材料由拉應(yīng)力過(guò)渡到壓應(yīng)力，焊縫采樣點(diǎn)在X方向上的最大拉應(yīng)力可達(dá)到113 MPa，最大壓應(yīng)力可達(dá)到89 MPa，在Y方向上的拉應(yīng)力最大可達(dá)到184 MPa，最大壓應(yīng)力可達(dá)429 MPa，Z方向上的拉應(yīng)力最大可達(dá)到64 MPa，最大壓應(yīng)力可達(dá)323 MPa，焊縫處存在應(yīng)力集中，在引弧和收收弧處的應(yīng)力集中比其它采樣點(diǎn)處顯著。

圖6　采樣點(diǎn)溫度曲線Fig.6　The temperature curves at sampling points

圖7　采樣點(diǎn)X方向的正應(yīng)力曲線Fig.7　The normalstresscurvesof X direction at sampling points

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

圖9　采樣點(diǎn)Z方向的正應(yīng)力曲線Fig.9　The normalstress curves ofZ direction atsamplingpoints

6　仿真結(jié)果驗(yàn)證

t8/5時(shí)間決定Q345鋼熱影響區(qū)組織和性能的主要參量，也是熱循環(huán)過(guò)程研究的主要內(nèi)容，對(duì)其組織和性能有決定性作用，Q345鋼的不預(yù)熱的t8/5仿真結(jié)果圖如圖10，其實(shí)際t8/5如圖11[8]，從圖11中求出的不預(yù)熱t(yī)8/5時(shí)間值為12.5 s，從圖10中可以計(jì)算出焊接起始階段焊縫各采樣點(diǎn)處的t8/5時(shí)間在12.2 s到12.8 s之間浮動(dòng)，仿真結(jié)果和計(jì)算值基本吻合，但焊縫后部分各采樣點(diǎn)處的t8/5時(shí)間比計(jì)算值大，這是由于輸入的熱量對(duì)未焊部位預(yù)熱引起的，與實(shí)際情況相符。

圖10　t8/5時(shí)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(jié)論

本文利用了Simufact-Welding軟件對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)懸掛架進(jìn)行焊接仿真，對(duì)其焊縫處及近區(qū)母材的溫度場(chǎng)以及總變形進(jìn)行模擬仿真，對(duì)焊縫處X、Y、Z的正應(yīng)力分別進(jìn)行分析，通過(guò)t8/5時(shí)間驗(yàn)證了仿真結(jié)果，仿真結(jié)果和實(shí)際值基本吻合，直觀地觀察了焊條電弧焊焊接的整個(gè)過(guò)程。為探索焊條電弧焊提供了一種新方法，對(duì)提高馬鈴薯收獲機(jī)的制造質(zhì)量和使用性能，預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)破壞事故發(fā)生，減少、乃至控制應(yīng)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(guī)律，在生產(chǎn)效率與生產(chǎn)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(jiǎn)介：張建（1979-），男，高級(jí)講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)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(hào)：TG444＋.1 S225.7＋1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-2324（2016）01-0092-03