基于ABAQUS的壓腳機構焊縫應力集中的仿真分析

吳　躍，周曉華

(西南自動化研究所，四川 綿陽　621000)

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【機械制造與檢測技術】

基于ABAQUS的壓腳機構焊縫應力集中的仿真分析

吳躍，周曉華

(西南自動化研究所，四川 綿陽621000)

某壓腳由焊接組成，工作時處于惡劣的載荷環境中。傳統設計方法無法滿足結構強度驗證的需求，導致在調試和實際使用過程中受力壓腳焊接處出現裂紋及斷裂。利用Abaqus有限元分析軟件，對壓腳結構進行了靜載荷應力分析，動載荷諧響應分析，對壓腳應力集中部位進行數值仿真分析，得出了壓腳斷裂的主要原因是結構強度不足的結論，研究了焊接部位的應力集中的情況以及產生應力集中的原因。

有限元；ABAQUS；壓腳結構；應力集中；諧響應分析

焊接結構應力集中是工程領域中常見的問題，在一定條件下可能將導致焊縫裂紋、斷裂，引發嚴重的事故。由西南自動化研究所研制的某型數控剁齒機是國內第一種銼刀紋類智能加工設備，在初樣機調試過程中，出現了壓腳焊縫開裂，壓腳斷裂。無論從理論還是實踐角度來看，焊縫的應力集中都是一個復雜的多因素耦合過程，既與焊縫的焊接形式、結構的急劇變化程度相關，還與焊縫工藝缺陷因素相關。處理焊縫應力集中問題時,傳統的方法只能基于焊縫的形式通過應力集中系數算法對焊接部位做初步的強度校核,無法反映由于結構的復雜構造、焊接工藝不良等因素產生的額外應力。隨著數值仿真技術的發展，通過建立有限元模型[1]進行仿真已經成為解決工程問題的一種可行的辦法。國內已有研究者開展了有限元(FEA)方法在焊接應力集中領域的基礎應用技術研究[2-3]。一部分研究者在細分工程領域開展了類似研究，例如李世銘，譚越，王春升使用ABAQUS對管道焊縫應力集中進行了分析和研究[4]，魏康，何柏林使用ABAQUS對轉向架十字焊接頭應力集中系數進行了分析[5]。本文將基于ABAQUS[6]對壓腳機構焊縫應力集中進行研究，準確得到焊縫周圍應力分布情況，預測受動態載荷時的響應狀態，為類似焊接結構的設計提供參考。

1　壓腳機構受力特點

壓腳機構的模型如圖1(左)所示。壓腳[圖1(右)]由壓腳桿部、壓腳底部焊接組成(圖2)，承受著剁刀的循環沖擊載荷和推力氣缸的壓緊載荷，是整個剁齒機中受力較為復雜的系統。壓腳機構由固定部分和運動部分組成，壓腳安裝在圖中運動部分的右下角位置。壓腳工作時，由固定在機床上的氣缸推動壓腳運動部分向下運動，并由壓腳壓緊并固定銼刀。

圖1　壓腳機構(左)與壓腳(右)

圖2　壓腳焊接方式

壓腳由柄部與壓腳底部組成，在壓腳柄部圓柱根部開坡口后整圈焊接連接，焊縫寬度為3mm。壓腳柄部材料為合金結構鋼40Cr，整體淬火30～35HRC；壓腳底部為高速工具鋼W12Cr4V5Co5，整體淬火62～65HRC。壓腳工作時，主要受到兩個方面的載荷。

1.1由氣缸產生靜載荷

如圖1所示，壓腳機構上方設置了缸徑為125mm的氣缸，在0.4～0.5MPa工作氣體環境下向壓腳提供約 5 000～6 000N的緊固力，并最終將該力傳遞在銼刀上。對壓腳單獨進行分析，壓腳柄部由水平支撐桿固定，壓腳底部與銼刀接觸部位受到方向向上的大小為5 000～6 000N的反作用力F。壓腳柄部圓柱中心線與平面呈70°夾角，因此銼刀對壓腳的反作用力使壓腳產生彎曲的傾向，并使壓腳柄部與壓腳底部的接觸部位產生較大的應力集中。壓腳靜載荷受力示意圖如圖3所示。

圖3　壓腳靜載荷受力模型

1.2由剁刀產生的動載荷

銼刀齒紋是由剁刀及其附屬機構在重力及預置彈簧力的作用下產生向銼刀表面的沖量，在銼刀上沖擊形成。沖擊能量表示為：

式中： α為銼刀齒紋能量吸收系數； fh為剁刀剁入深度為h時對銼刀的力； fg為剁刀及其附屬機構沿剁入方向的重力分力； fk為預置彈簧力；s為剁刀及其附屬機構沖程。剁刀齒口為錐形截面， fh隨剁入深度線性增長。根據上式，可估算出沖擊載荷約為20 000N。

在銼刀加工主齒紋時，該力以500～800/min的頻率沖擊銼刀。銼刀在受到擠壓變形后，會向壓腳傳遞一個方向為垂直于水平面，頻率與剁刀頻率相同的激振力。由于壓腳機構的活動部分在水平方向受到約束，剛度大，在垂直方向上剛度較低，在受到同方向的激振力后產生一定的諧振動相應。

2　壓腳結構靜態響應分析

2.1有限元模型

壓腳有限元模型由3部分組成，分別是壓腳柄部、壓腳根部與焊縫。壓腳柄部與根部接觸部位為面接觸。焊縫與壓腳柄部與壓腳底部互相融合。

網格采用ANSA軟件劃分，如圖4所示，上圖為焊縫網格，下圖為壓腳柄部、底部與焊縫交界處的網格。壓腳焊縫周圍網格采用近似長方體網格，網格密度與網格品質均較高。

為簡化模型，省略壓腳機構其他部件，單獨對壓腳進行分析。設置壓腳柄部與壓腳機構配合面為固定約束，在壓腳底部與銼刀接觸面設置方向朝上，大小為6 000N的反作用力。

圖4　焊縫網格(上)與壓腳網格(下)

2.2分析結果

焊縫處的應力云圖如圖5。

圖5　焊接部位Mises應力云圖

分析結果顯示，在焊縫表面出現了明顯的應力集中現象，應力集中部位為如圖6所示的4個點。由于壓腳的結構不對稱，壓銼刀的位置在偏向柄部一側，導致壓腳受到的壓力集中在該側，1處應力值明顯高于其他3處。

圖6　焊縫應力集中部位

應力部位Mises應力/MPa應力部位Mises應力/MPa1427325722184194

另外，在與焊縫表面應力最大的位置相對應的，壓腳柄部、壓腳底部接觸面與焊縫的交接處產生了更為明顯的應力集中，應力大小為497MPa。

2.3強度校核

焊接材料選用MG600，該材料是一種通用性極廣，高效率，強度高，抗裂性理想的材料，可用于高速工具鋼焊接，屈服強度為710MPa。根據機械設計手冊及相關資料說明，取安全系數為2，焊接許用應力為[7]：

壓腳底部材料為高速工具鋼W12Cr4V5Co5，查閱機械設計手冊，根據表面硬度推算出材料的屈服強度約為850MPa，取安全系數為2，許用應力為：

表2　強度校核

強度校核結果顯示，焊縫表面的最大強度與焊縫交界面的最大強度值均超過了許用應力。不能滿足設計要求，需要對結構進行優化和改進。

2.4結構優化

分析結果表明焊接位置是壓腳強度最薄弱的點，需要對該部位進行加強。

采用兩種方法對壓腳結構進行加強：

方案1：于壓腳柄部與底部接觸面之間設置M12螺紋連接結構。壓腳柄部的圓柱伸出長度為5mm，如圖7所示。這種方案和原方案類似，加工成本接近，能在一定程度上提高結構的強度。

圖7　方案1示意圖

方案2：將壓腳整體進行加工制造，由毛坯經去除材料的方式加工，柄部與底部連為一體，并在連接處倒圓角R3。這種方案需要切削大量的金屬材料，成本高，加工時間長，但是對結構強度提升大。

運用ABAQUS對兩種優化方案進行計算。為了簡化螺紋連接結構，內螺紋和外螺紋兩個面直接用TIE形式連接。施加的邊界條件與原方案相同。經計算，得到的應力分布如表3、表4所示。

表3　焊縫(倒角)表面優化結果與校核

表4　交界處優化結果與校核

結果顯示，通過螺紋連接的方式，壓腳柄部與底部接觸面與焊縫交界處受力情況得到一定的改善，應力從497MPa降為279MPa，降低幅度達到43.9%，滿足許用應力要求。但焊縫表面應力情況改善情況有限，最大應力降低幅度僅15.2%，為352MPa，未達到許用應力要求。

通過整體制造的方法將柄部與底部之間的結合面的危險源消除，并將焊接結構變為一般的倒角結構，最大應力降為273MPa，與原方案相比降低幅度為36.1%，同時將許用應力提高為355MPa，符合強度校核要求。

3　壓腳機構動態響應分析

壓腳機構結構復雜，零件眾多，同時，底部銼刀墊放在柔軟的鋁制墊片上，頂部有回復彈簧支撐，邊界條件復雜。有限元技術能對復雜結構進行有效的動態響應分析[8-10]，本文運用ABAQUS的諧響應分析模塊對壓腳機構進行動態響應分析。

3.1有限元模型

取壓腳機構上下運動部分，銼刀及底部墊片，構建壓腳機構動態響應模型。由于接觸分析對運算性能要求較高[8]，容易造成計算不收斂，需要在保證計算精度的條件下，盡量優化模型，減少網格數量。壓腳的角度調整機構零件眾多，形狀復雜。由于該部位位于壓腳機構外緣，不承載載荷，可視為壓腳機構上下運動部分的負載，按照整體質量和重心位置，與底部壓塊集成簡化為一件。動態響應分析模型如圖8所示。

圖8　動態響應分析模型(左)與接觸部位網格(右)

對模型設置直接諧響應分析步(Steady-statedynamics,direct)。該型數控剁齒機剁刀的沖擊頻率為500～800/min。相對應的，在剁刀沖擊部位銼刀的部位設置頻率掃描范圍為8～15Hz的激振力。壓腳底部與銼刀面接觸，接觸部位網格細分。為模擬銼刀傳遞剁刀力的效果，僅限制銼刀頂部沿銼刀長度方向的位移，并設置銼刀與底部鋁制墊片的接觸條件，以此限制銼刀沿上下方向位移。

3.2模態分析

因激振力頻率較低，高階模態響應應力低，對結構影響不大，僅取前10階模態進行分析，結果如表5所示。

最低頻率為177.06Hz，振動方向與激振力方向一致，是最危險的模態。激振力頻率約為8～14Hz，遠低于系統固有頻率，共振危險度低。

表5　模態分析結果

3.3諧響應分析

壓腳焊縫處最大響應應力與激振頻率之間的關系如圖9所示。激振頻率為8Hz時，響應應力為5.927MPa；激振頻率為15Hz時，響應應力為5.925MPa。在8～15Hz激振力頻率范圍內，響應應力幾乎保持恒定值，約5.93MPa。根據手冊可知，焊縫壓縮疲勞極限許用應力為：

焊縫最大響應應力5.93MPa遠小于許用疲勞應力513MPa，可認為剁刀激振力對壓腳結構強度影響微弱。

圖9　壓腳焊縫動態響應應力

4　結論

本文通過對壓腳機構焊縫應力集中部位的有限元分析，得到了焊縫受動、靜載荷應力分布情況，得出了壓腳斷裂的主要原因是結構強度不足的結論，并提出了壓腳優化設計的方案，驗證了強度。因此，本文使得有限元方法能夠有效、準確地預測焊縫應力集中的分布情況，為類似的結構設計提供參考。

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(責任編輯唐定國)

SimulationAnalysisofStressConcentrationatWeldJointinPresserFootMechanismBasedonABAQUS

WUYue,ZHOUXiao-hua

(SouthwestAutomationResearchInstitute,Mianyang621000,China)

Apresserfootwascomposedbyweldingandcarryingacomplexenvironmentloadswhenworking.Traditionaldesignmethodscannotmeettheneedofstructuralstrengthrequirement.Thishasleadtoanumberofaccidentsofpresserfootbrokenattheweldingarea.ThefiniteelementanalysissoftwareAbaquswasusedtoanalyzethestressresponseofstaticanddynamicloadsofthepresserfoot.Bythenumericalanalysisofthestressconcentrateposition,thispaperstudiedthestressconcentratedistributionofthepresserfootandexpoundedthereasonsitgenerated.

finiteelementanalysis;ABAQUS;presserfootmechanism;stressconcentration;harmonicresponseanalysis

2016-04-10；

2016-04-28

吳躍(1990—)，男，助理工程師，主要從事機械結構設計研究。

10.11809/scbgxb2016.09.029

format:WUYue,ZHOUXiao-hua.SimulationAnalysisofStressConcentrationatWeldJointinPresserFootMechanismBasedonABAQUS[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):123-127.

TH164

A

2096-2304(2016)09-0123-05

本文引用格式：吳躍，周曉華.基于ABAQUS的壓腳機構焊縫應力集中的仿真分析[J].兵器裝備工程學報，2016(9):123-127.