挖掘机中燕尾焊缝的有限元分析

王 欣，张爱宾，谭 伦，王文静，赵日鑫

（大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116023；2.大连益利亚工程机械有限公司，辽宁 大连 116025）

许多工程实例表明，焊缝的性能在很大程度上决定了整体结构的寿命，尤其是对于疲劳机械，因此很多学者开展了焊缝结构形式、焊接接头应力集中系数等理论与试验研究，近年来，焊缝结构的优化设计也越来越引起重视，如张圣坤等［1］研究了角焊缝的尺寸对应力集中系数的影响规律，张祥等［2］利用ANSYS软件分析了焊接接头结构尺寸对压力容器筒体与平板封头连接处应力的影响规律.燕尾焊缝在疲劳机械中应用较多，但进行量化分析的不多见，本文将以挖掘机为例，分析燕尾焊缝的应力分布及形状尺寸对焊缝应力的量化影响，这将为设计提供了一定的借鉴.

1焊缝及结构有限元建模

因焊缝的载荷、应力、变形与整体结构相关联，考虑内力的准确传递，本文建立14t挖掘机整机有限元模型，选取应力最为集中的、动臂部件上的斗杆缸耳板尾部燕尾焊缝进行分析，如图1所示.

图1 带有耳板尾部焊缝结构的整体有限元模型Fig.1 Whole structural finite element model with weld at the end of the hinge ear inflexion

带有耳板尾部燕尾焊缝结构整机模型采用可承弯板（shell63）单元建模，网格采用四边形和三角形单元相结合来划分，为了更真实地计算焊缝应力水平，局部结构的耳板和焊缝均采用实体单元solid95建模，网格采用四面体单元来划分，网格也做了进一步的细分，尺寸为5mm左右，局部建模详见图2所示，节点总数为390 957，单元总数为286 452.

图2 结构局部有限元模型Fig.2 Finite element model of local structure

综合比较了挖掘机各种危险姿态，选取其中远距离挖掘作为本模型的计算工况.根据上述模型，采用的约束条件是在履带支重轮连接处施加水平面内的静定位移约束，在结构的铰点处施加耦合约束，挖掘力的水平分力为－64.5kN，垂直分力为5.4kN，以均布载荷的方式施加在铲斗齿根处的24个节点上，带有约束与载荷的有限元模型如图3所示［3－5］.

图3 带有约束与载荷的有限元模型Fig3 Finite element model with loads and constraint

2 焊缝长度对应力分布的影响分析

焊缝的长度与耳板尾部刚度有关，实际上用焊缝长高比来分析对应力的影响更为合适.本产品的焊缝高度与长度分别为15mm和30mm，长高比为30/15＝2.在不改变本产品焊缝其他尺寸的基础上，这里选取长高比分别为1，2，3，4来进行有限元建模.焊缝尺寸示意如图4所示，其中包含本产品的焊缝尺寸.

对4种不同长高比焊缝进行有限元计算，图5列举显示了长高比为1，4时的不同焊缝的应力云图，图6为焊缝局部应力点位置图.不同长高比焊缝与盖板交接处最大应力统计见表1.

从图5，6中看出，焊缝上平面与侧平面交接沿线的应力值较大，如果实际对沿线棱边打磨并圆弧过渡，沿线应力会有明显降低.需要关注的是焊缝尾部与上盖板交接沿线的应力情况，因为这里往往存在开裂的可能.从图中可看到，长高比越大，此沿线的应力值越小.对其进行应力曲线统计，详见图7.从图中看出，随着长高比越来越大，其应力有所降低，但降低幅度在减小.因为长高比增加，焊缝刚度也会随之增加，抵抗变形能力也在增加，应力易于集中，这种应力集中体现在焊缝与耳板的拐点处.另外长高比增加，会给焊接工艺带来较多麻烦.因此长高比不可无限制地增加，长高比为2左右比较合适.

图4 焊缝的不同长高比示意图（单位：mm）Fig.4 Diagram of different length height ratio of weld（unit：mm）

图5 不同长高比的焊缝应力云图Fig.5 Weld stress cloud diagram of different length height ratio

图6 焊缝局部应力点的位置Fig.6 Local stress point’s position of weld

表1 不同长高比焊缝与上盖板交接处最大应力统计Tab.1 Max stress statistics of the connect place of weld and top cover board in the different length height ratio

图7 不同长高比焊缝与上盖板交接处沿线应力趋势Fig.7 Stress current along the connect line of weld and top cover board in the different length height ratio

3 焊缝宽度对应力分布的影响分析

本产品的耳板厚度为20mm，焊缝尾部宽度为40mm，焊缝宽度比为40/20＝2.在不改变本产品焊缝的其他尺寸的基础上，只改变宽度比，分别是1，2，3，来分析应力情况.焊缝尺寸示意如图8所示，其中包含本产品的焊缝尺寸.

图8 焊缝的不同宽度比示意（单位：mm）Fig.8 Weld’s diagram of different width ratio（unit：mm）

三种不同焊缝宽度比有限元计算结果如图9所示.从图中看出，焊缝上平面与侧平面交接沿线的应力值较大，如果实际对沿线棱边打磨并圆弧过渡，沿线应力会有明显降低.需要关注的是焊缝尾部与上盖板交接沿线的应力情况，因为这里往往存在开裂的可能.从图中看到，宽度比变化时，对应力影响较小，沿线应力较为均匀.但宽度比较大时，焊缝与耳板拐点处夹角小，易引起应力集中.因此宽度比大于1时，不仅要对棱边打磨，还要对拐点进行圆弧过渡.

图9 不同宽度比的焊缝应力云图Fig.9 Weld’s stress cloud of different width ratio

4 焊缝与耳板拐点处的过渡对应力分布的影响分析

如果焊缝与耳板的拐点由圆弧过渡来替代，则应力会有显著下降.但在ANSYS分析软件中，变截面的体倒圆角在划分网格和计算时容易出现奇异，给计算带来难度，因此本文采用斜平面过渡方式来建模.斜平面的投影长度和宽度不同，对焊缝应力分布有一定影响，焊缝拐点过渡示意如图10所示，其中包含本产品的焊缝尺寸.

焊缝和耳板拐点处不同斜平面过渡的焊缝有限元计算结果如图11所示.

从图11看出，随着焊缝与耳板拐点处过渡的尺寸增大，焊缝上平面与侧平面交接的沿线应力呈递减趋势.表2是对拐点应力的统计.显然拐点处进行过渡对焊缝应力是非常有利的.如果对沿线进行打磨，应力还会降低.

10 不同焊缝和耳板拐点处过渡示意（单位：mm）Fig.10 Transition place diagram of between different weld and hinge ear inflexion（uint：mm）

图11 焊缝和耳板拐点处不同过渡的应力云图Fig.11 Stress cloud diagram of different transition place between weld and hinge ear inflexion

表2 焊缝和耳板拐点处不同过渡的焊缝应力对比Tab.2 Comparision of weld stress of different transition place between weld and hinge ear inflexion

5 结论

从本文的计算分析中可以看出，焊缝的长高比、宽度比和拐点过渡对燕尾焊缝应力存在一定的影响，起主要影响因素的是焊缝长高比，其次是拐点过渡，最后是宽度比.因此要合理选择燕尾焊缝长高比与拐点的过渡，长高比与宽度比相互关联，两者比例要适当，一般长高比取为1.5～2.0时，宽度比也在2左右.但本结论不能完全覆盖所有情况，还要具体问题具体分析.此外，必须对燕尾焊缝棱边打磨（焊缝上平面与侧平面交接的沿线），宽度比大于1时，要对焊缝与耳板拐点进行圆弧过渡.本文以挖掘机为例，对燕尾焊缝的各种影响因素进行计算与分析，为设计提供了一定的借鉴.

［1］张圣坤，雷志明.考虑焊缝影响的管接头有限元分析［J］.海洋工程，1989，7（1）：1－6.

ZHANG Shengkun，LEI Zhiming.The FEA of pipe joints considered the influence of weld［J］.Ocean Engineering，1989，7（1）：1－6.

［2］张祥，曾涛.基于ANSYS压力容器筒体与平板封头焊缝残余应力有限元分析［J］.焊管，2009，32（5）：22－25.

ZHANG Xiang，ZENG Tao.The finite element anslysis on the weld residual stress of the pressure vessel cylinder and plate dome based on ANSYS［J］.Pipe，2009，32（5）：22－25.

［3］陈楚.数值分析在焊接中的应用［M］.上海：上海交通大学出版社，1985.

CHEN Chu.The application of numerical analysis in welding［M］.Shanghai：Shangahi Jiaotong University Press，1985.

［4］杨荣柏.机械结构分析的有限元法［M］.武汉：华中理工大学出版社，1985.

YANG Rongbai.The finite element method of mechanical structural［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，1985.

［5］王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，2000.

WANG Guoqiang.The practice of practical engineering numerical simulation in ANSYS［M］.Xi′an：Northwestern Polytechnical University Press，2000.