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(jié)構(gòu)疲勞與可靠性設(shè)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(shù)據(jù)進行對比分析，得出該仿真分析能很好的預(yù)測斷裂位置，仿真分析與試驗數(shù)據(jù)接近，從而驗證了該仿真壽命分析的準確性，為板焊前軸設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)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(tǒng)的關(guān)鍵零部件總成，有著承載、轉(zhuǎn)向等重要作用。因此，前軸的疲勞強度可靠性對其設(shè)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(fù)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(jù)板焊前軸不同位置處的不同應(yīng)力狀態(tài)以及焊縫類型對焊縫進行強度分級，通過焊縫質(zhì)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(cè)，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(cè)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(yīng)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(yīng)力準則方法進行分析。見圖3.在計算結(jié)構(gòu)的疲勞強度時，考慮應(yīng)力集中系數(shù)、零件尺寸系數(shù) 、表面系數(shù)Kt、平均應(yīng)力系數(shù)。

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

圖3 Q345試樣S-N曲線（r=-1）

1.1.1 表面狀態(tài)系數(shù)Kt及疲勞缺口系數(shù)的確定

圖4 表面修正參數(shù)線圖[5]

1.1.2 尺寸系數(shù)的確定

1.1.3 上板Von-mises應(yīng)力與下板拉伸平均應(yīng)力的疲勞極限

圖5 極限應(yīng)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(yīng)力集中問題，直接作用結(jié)果就是產(chǎn)生缺口效應(yīng)，不同的缺口效應(yīng)對應(yīng)不用的缺口等級，而不同的缺口等級對應(yīng)于不同的疲勞質(zhì)量等級，因此不同的焊接接頭的疲勞質(zhì)量就可以用缺口效應(yīng)來評定。目前，國際上有關(guān)焊接接頭的疲勞強度設(shè)計大多采用質(zhì)量等級S-N曲線確定焊接接頭的疲勞質(zhì)量。所有級別的S-N在雙對數(shù)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(yīng)力作用，焊縫質(zhì)量等級為二級，焊后熱處理去殘余應(yīng)力，由BS7608可知，該處焊縫缺口效應(yīng)為中弱缺口效應(yīng)，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(yīng)力，實際工況下所受的應(yīng)力幅值較小，缺口效應(yīng)為因此選如圖7.中S-N曲線B。

N—總壽命；

S—名義應(yīng)力的幅值；

K0—焊縫特征參數(shù)；

m—焊縫S-N曲線斜率，對于軋制或擠壓型材，邊緣經(jīng)機械加工，無縫鋼管m=5，其余結(jié)構(gòu)鋼m=3；

△—焊縫疲勞壽命的標準偏差；

d—正態(tài)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(qū)動橋臺架試驗方法》進行設(shè)置。

3、分析結(jié)果與試驗結(jié)果對比

3.1 仿真分析結(jié)果

圖9 FE-SAFE疲勞分析結(jié)果

表1 仿真分析結(jié)果

3.2 實驗結(jié)果

表2 疲勞試驗結(jié)果

4、結(jié)論

通過本次設(shè)計分析，得出以下結(jié)論：

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

（2）試驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)接近，但試驗數(shù)據(jù)離散度大。疲勞壽命數(shù)據(jù)分散的原因很多，材質(zhì)本身的不均勻性、試樣加工質(zhì)量及尺寸差異、試驗載荷誤差、試驗環(huán)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(yīng)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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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