龐利葉，呂彭民，向清怡，黃炳雷，李 瑤

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育重點實驗室，西安 710064）

0 引言

挖掘機(jī)是工程機(jī)械中從事土方工程施工的最主要的機(jī)械裝備之一，廣泛應(yīng)用于房屋建設(shè)、筑路工程、水利建設(shè)、礦山等領(lǐng)域。由于挖掘機(jī)的工作載荷復(fù)雜多變，在交變載荷的長期作用下，工作裝置產(chǎn)生疲勞損傷，當(dāng)累積損傷達(dá)到一定程度就會導(dǎo)致疲勞破壞[1]，特別是作為工作裝置的主要構(gòu)件之一的斗桿，由于其結(jié)構(gòu)為箱型梁結(jié)構(gòu)，存在較多焊縫連接，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中和開裂的情況。文獻(xiàn)[2]利用實體、板殼以及梁單元對液壓挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了限元分析和疲勞強(qiáng)度評估；文獻(xiàn)[3]利用名義應(yīng)力法對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行了基于實測載荷的疲勞壽命分析；文獻(xiàn)[4]為了提高挖掘機(jī)工作裝置焊接部位的整體質(zhì)量，考慮不同的載荷條件和焊接殘余應(yīng)力時，焊接參數(shù)對挖掘機(jī)工作裝置焊接疲勞壽命的影響。本文以某中型液壓挖掘機(jī)斗桿為研究對象，通過有限元仿真結(jié)果，采用熱點應(yīng)力法選取斗桿危險部位的油缸座焊趾處疲勞熱點位置進(jìn)行疲勞壽命評估，并通過疲勞試驗驗證評估方法對評估結(jié)果的合理性。

1 斗桿整體強(qiáng)度分析

1.1 有限元模型

依據(jù)某中型液壓挖掘機(jī)斗桿的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在ANSYS軟件建立中型斗桿的整體有限元模型來模擬臺架疲勞試驗載荷狀態(tài)。斗桿結(jié)構(gòu)材料為Q345，其屈服極限345MPa，油缸座焊縫處采用E50型號焊條焊接，焊條的最小抗拉強(qiáng)度500MPa。斗桿整體采用solid185六面體實體單元離散，除了銷軸處均采用Free自由網(wǎng)格劃分的方法。圖1是劃分網(wǎng)格后的斗桿有限元模型，共劃分節(jié)點 65548個，實體單元233433個。

圖1 中型挖掘機(jī)斗桿有限元模型

1.2 有限元計算與分析

為了有效地模擬斗桿臺架疲勞試驗，在斗桿整體模型中約束斗桿與動臂油缸的鉸接點D以及斗桿與動臂的鉸接點E，來模擬試驗臺架支撐的約束狀態(tài)，而在斗桿與鏟斗的鉸接點K處施加載荷是為了模擬試驗機(jī)作動器施加載荷情況，如圖2所示。試驗載荷譜如表1所示。每個載荷塊由5級載荷組成，臺架疲勞實驗時，從低到高再到低進(jìn)行循環(huán)加載，并且每個載荷塊當(dāng)量的實際挖掘機(jī)工作時間為1000小時。本文選用每級載荷中的載荷上限和下限在鉸點K處施加載荷。有限元結(jié)果如圖3所示。

圖2 挖掘機(jī)斗桿約束與載荷施加示意圖（臺架試驗姿態(tài)）

表1 中型挖掘機(jī)斗桿疲勞試驗載荷譜

從圖3可以看出，斗桿在臺架試驗姿態(tài)下，斗桿上翼板鏟斗油缸支座端焊趾處應(yīng)力較大，且應(yīng)力分布不均勻，在實際作業(yè)過程中，鏟斗油缸座為主要受力位置之一，在此處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，該處為疲勞危險部位。

2 斗桿油缸座疲勞壽命評估

2.1 熱點應(yīng)力法

在焊接結(jié)構(gòu)中，焊趾處容易發(fā)生疲勞開裂，此處結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值即是熱點應(yīng)力，目前普遍接受的熱點應(yīng)力的定義是焊趾表面膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和[5]。熱點應(yīng)力只能用于評估從焊趾開始穿透母材厚度方向的疲勞開裂模式，并且熱點應(yīng)力考慮了焊接接頭的類型和尺寸引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的影響因素，可以使用較少的S-N曲線表征多種不同的焊縫類型[6]。目前確定焊趾熱點應(yīng)力的方法是基于表面外推的兩點線性或三點二次差值外推。一般在距離焊趾0.4t（t為板的厚度）處，非線性應(yīng)力基本消失，本文斗桿油缸支座處的焊縫屬于a型焊縫，故使用國際焊接協(xié)會推薦的a型兩點線性外推方法[7]，公式如下：

圖3 中型挖掘機(jī)斗桿Von Mises云圖（臺架疲勞姿態(tài)下）

2.2 子模型

子模型是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù)。該技術(shù)是基于圣維南原理，在原模型上截取部分區(qū)域，并細(xì)化網(wǎng)格，整體模型切割邊界的計算位移為子模型的邊界條件，用等效載荷代替實際分布載荷，從而獲得截取區(qū)域更精確的計算分析結(jié)果[8]。本文運用子模型技術(shù)，將斗桿上翼板鏟斗油缸座焊趾區(qū)域的實體單元長度劃分為2mm，得到鏟斗油缸座支撐板前端焊趾處細(xì)分網(wǎng)格下的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

通過有限元分析可得各級載荷作用下的焊趾區(qū)應(yīng)力分布云圖，由于篇幅的限制，以第5級載荷下的結(jié)果為例進(jìn)行說明。由應(yīng)力分析結(jié)果可知，斗桿油缸座耳板在焊趾處出存在顯著的應(yīng)力集中，并且應(yīng)力分布不均。

圖4 斗桿油缸座焊趾區(qū)Von Mises 應(yīng)力分布云圖

2.3 熱點應(yīng)力評估

圖5 斗桿油缸座焊趾處熱點位置及差值軌跡分布示意圖

通過分析5種載荷下的應(yīng)力云圖，從疲勞熱點位置選取了5個熱點，并且沿油缸支撐板厚方向取5條差值軌跡進(jìn)行熱點應(yīng)力的計算，如圖5所示。按式(1)計算得到的焊趾熱點應(yīng)力如表2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，考慮沿板厚分布的應(yīng)力梯度的影響，表面外推的熱點應(yīng)力法常利用式(2)計算等效熱點應(yīng)力，其計算結(jié)果如表3所示。

式中：σhsm是熱點膜應(yīng)力。實體模型中取為熱點處板厚中節(jié)點的應(yīng)力值。

在實際中常用的變幅疲勞壽命預(yù)測，一般是基于Miner線性累計疲勞損傷法則，式(3)為累計損傷及壽命預(yù)測的計算式，ni、Ni是第i級應(yīng)力范圍對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)和失效循環(huán)次數(shù)；∑D為累積損傷和；NL為焊縫預(yù)測疲勞壽命[5]。

表2 焊趾熱點應(yīng)力幅計算結(jié)果（單位：MPa）

表3 焊趾等效熱點應(yīng)力幅計算結(jié)果（單位：MPa）

IIW給出了95%可靠度、75%可靠度的FAT90、FAT100的焊接結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力疲勞等級，對照規(guī)范細(xì)節(jié)選取IIW中細(xì)節(jié)等級100，當(dāng)壽命N＜1× 107時，S-N的曲線方程為：

式中，N是常數(shù)應(yīng)力幅Δσ時的循環(huán)次數(shù)。

由表3中焊趾等效熱點應(yīng)力幅計算結(jié)果以及式(3)、式(4)，可得各軌跡處的焊趾在一個載荷塊下的疲勞損傷和壽命預(yù)測，結(jié)果如表4所示。

表4 焊趾處疲勞損傷及等效工作壽命計算結(jié)果

由表可知，在子模型分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用熱點應(yīng)力方法計算獲得的焊趾處最薄弱位置的疲勞壽命等效時間為4970小時，各熱點位置處的等效時間從中間到兩邊逐漸增大。

2.4 熱點應(yīng)力結(jié)果與試驗對比

本文對該中型液壓挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行的疲勞臺架試驗如圖6所示，試驗載譜如表1所示，表中：負(fù)號表示載荷豎直向下。

圖6 中型挖掘機(jī)斗桿臺階疲勞試驗

當(dāng)裂紋出現(xiàn)后，則停止試驗并計算斗桿疲勞試驗總循環(huán)次數(shù)以及等效工作時間。試驗后發(fā)現(xiàn)斗桿的疲勞裂紋發(fā)生在斗桿上翼板鏟斗油缸左支撐板前端焊趾處，如圖7所示，且斗桿整體的等效工作時間為9870小時。

圖7 中型挖掘機(jī)斗桿臺架疲勞試驗破壞位置圖

通過斗桿疲勞臺架試驗可知，疲勞破壞位置與分析位置相一致，其疲勞試驗壽命當(dāng)量工作小時為9870小時。采用熱點應(yīng)力分析方法計算獲得了斗桿上翼板鏟斗油缸焊趾處最薄弱位置為熱點位置3，其疲勞壽命等效時間為4970小時，并且焊趾從中間到兩邊的等效壽命逐漸增大。焊趾處最外側(cè)熱點位置1和熱點位置5的等效時間分別為8250小時和8190小時，與臺架試驗油缸座焊趾處兩側(cè)出現(xiàn)可見裂紋的時間基本一致。因此，采用熱點應(yīng)力法對斗桿疲勞壽命評估具有一定合理性且精度較高。

3 結(jié)論

1）在有限元軟件中建立了斗桿在臺架疲勞姿態(tài)下的有限元模型，經(jīng)過分析計算，確定了斗桿上翼板鏟斗油缸焊趾處為危險部位，并利用子模型分析技術(shù)得到了焊趾處的應(yīng)力分布。

2）由疲勞臺架試驗結(jié)果可知，疲勞破壞位置與有限分析位置相一致，并且焊趾最薄弱部位為熱點位置3，各熱點位置處的等效時間從中間到兩邊逐漸增大。焊趾處最外側(cè)熱點位置1和熱點位置5的等效時間分別為8250小時和8190小時，與臺架試驗油缸座焊趾處兩側(cè)出現(xiàn)可見裂紋的時間9870小時基本一致。

3）采用熱點應(yīng)力方法對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估具有較好的適用性且精度較高。