攪拌摩擦焊構架強度與疲勞分析*

□ 李權?！?王洪昆□ 周素霞□ 徐 鵬□ 張 軍

1.神華鐵路貨車運輸有限責任公司 北京100011

2.北京建筑大學 機電與車輛工程學院

城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室 北京100044

1 分析背景

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于1991年發明的專利焊接技術，主要應用于軌道車輛車體的焊補［1］。攪拌摩擦焊構架作為整個焊接裝置中的關鍵部件，主要起承載裝置質量和工作中產生的作用力的作用，確保攪拌頭焊接精度。若攪拌摩擦焊構架因強度不足而發生變形，則會影響焊接精度，甚至導致焊接工作無法順利進行，所以有必要對攪拌摩擦焊構架進行強度分析和疲勞壽命分析。

徐效東［2］對攪拌摩擦焊搭接接頭的組織特征及疲勞斷裂行為進行了詳細研究。曹麗杰［3］闡述了國內外對鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞斷裂行為的研究進展，包括鋁合金攪拌摩擦焊接頭的應力疲勞分析和應變疲勞分析，微結構、殘余應力、表面處理對疲勞裂紋擴展速率的影響，焊接缺陷對疲勞斷裂行為的影響。

筆者以攪拌摩擦焊構架為研究對象，基于有限元分析方法，利用SolidWorks軟件建立構架模型。采用HyperMesh軟件對構架模型進行網格劃分，建立離散單元模型。應用ABAQUS有限元分析軟件按照構架實際載荷情況，對構架進行仿真分析，計算分析構架靜強度，以及構架結構中的薄弱部位。對攪拌摩擦焊構架進行疲勞壽命預測，驗證構架結構是否合理及滿足結構強度要求［4］。

2 構架模型簡介

2.1 構架結構及其特點

攪拌摩擦焊構架整體主要由Z軸構架、X軸構架，以及連接部件組成，構架整體及工作狀態如圖1、圖2所示。Z軸構架尺寸為1 192 mm×1 294 mm×713.6 mm，材料為6063-T5鋁合金型材，質量為240 kg。X軸構架尺寸為3 900 mm×1 642 mm×100 mm，材料為6063-T5鋁合金型材，質量為360 kg，Z軸構架可以在X軸構架導軌上移動，以保證裝置的焊接精度，兩構架間采用滑塊和滑塊墊板連接，鋁合金型材連接件采用直角件，連接部分滑塊實體如圖3所示。構架材料相關屬性見表1。

2.2 構架有限元模型

筆者應用SolidWork三維實體建模軟件對構架各部件進行建模裝配，建立起完整構架實體模型，然后采用HyperMesh軟件對構架進行網格劃分。因構架結構復雜，筆者采用六面體線性完全積分單元和四面體線性單元這兩種網格類型對構架進行網格劃分，根據各部件相關尺寸，對主要結構的關鍵部位網格進行加密處理，可準確反映出應力狀態［5-7］。對其它一些部件采用簡單拉伸方法進行網格劃分。構架整體劃分單元數為431 243，節點數為577 359。構架網格模型如圖4所示。

▲圖1 構架整體

▲圖2 構架工作狀態

▲圖3 構架連接部分滑塊實體

▲圖4 構架網格模型

表1 構架材料屬性模型

3 載荷及邊界條件

3.1 實際靜載荷工況

實際靜載荷工況是指在實際工作情況下構架所受的載荷，用來驗證構架在工作時是否有發生變形及破壞的危險。根據構架相關部件參數，創建載荷工況，相關參數見表2。

表2 構架相關參數表

按上述相關構架質量參數，得出構架主要受力如下。

（1）垂 向 載荷F1，主要是來自攪拌摩擦焊構架自身，作用于構架上。

式中：g為重力加速度。

（2）縱向載荷F2，主要來自構架受到被焊件的反作用力，作用于Z軸構架上。

F2=3 000 N

（3）其它載荷F3，主要來自于Z軸構架上其它裝置的質量，沿著Z軸正方向，作用于Z軸構架上。

3.2 設置邊界條件及加載

筆者采用ABAQUS有限元分析軟件按構架實際工作情況對構架進行邊界條件，以及載荷的設置，加載步驟如下：

（1）在屬性步中定義材料密度、彈性模量和泊松比，數據見表1。

（2）選擇分析步。由于是對構架進行靜強度分析，所以采用分析步中“通用-靜力通用”，然后設置時間增量，便于計算收斂。

（3）施加邊界條件。根據構架實際情況對攪拌摩擦焊構架進行靜強度仿真計算，對構架上下夾鉗處進行完全約束。

（4）加載。按實際情況對構架進行加載，具體情況如圖5所示。

4 構架強度分析

4.1 強度分析

根據上述約束與加載對攪拌摩擦焊構架進行靜強度計算，得出等效應力，對構架進行評價，找出構架薄弱部位。

構架整體應力分布如圖6、圖7所示，根據計算結果可以得出滑塊等效應力最大為80.91 MPa。原因是構架受到豎直、縱向和其它載荷影響，并且維持裝置平穩工作，所以滑塊載荷較大。鋁合金構架材料的屈服極限為160 MPa，大于計算得出的構架整體最大應力，因此這一攪拌摩擦焊構架滿足強度設計要求。

▲圖5 構架加載示意圖

4.2 疲勞分析

疲勞是結構在承受低于其極限載荷的反復作用下而發生破壞的現象，構架應力集中部位即最大應力滑塊處是影響其疲勞壽命的關鍵部位，也是疲勞分析的重點部位［8-10］。筆者采用靜載荷計算，與強度分析不同的是疲勞壽命分析需通過最大（第一）和最?。ǖ谌┲鲬τ嬎愕贸觯?1-12］，根據如圖8、圖9所示有限元計算結果，提取滑塊應力集中點處的第一主應力為95.52 MPa，第三主應力為8.681 MPa。根據疲勞應力理論，求解其循環應力與平均應力，通過等壽命轉化，將工作應力水平轉化為對稱循環下的應力水平，最終求解其疲勞壽命。將計算得出的第一與第三主應力代入下列公式，求得循環應力幅與平均應力。

▲圖6 構架應力分布圖

▲圖7 滑塊應力云圖

▲圖8 滑塊第一主應力云圖

▲圖9 滑塊第三主應力云圖

（1）循環應力幅與平均應力計算：

式中：Sa為循環應力幅；Sb為平均應力；Smax為最大主應力；Smin為最小主應力。

式中：m與C為與材料、應力比、加載方式等有關參數；k為不同載荷作用形式的抗拉因數，取0.35；Su為材料抗拉強度。

（3）等壽命轉換。為了計算疲勞壽命，需要將實際工作循環應力水平等壽命地轉換為對稱循環下的應力水平，由古德曼（Goodman）方程可知［13］：

式中：Sa（R=-1）為應力比R=-1時的循環應力幅。

由式（5）計算得：

（4）壽命預測。在對稱循環條件下的壽命可以由基本S-N曲線得到：

式中：N為壽命。

經查閱資料可知高周疲勞是指構件破壞前循環次數高于104～105的疲勞［14］，根據以上方程得知該攪拌摩擦焊構架滿足材料強度，疲勞壽命屬于高周疲勞。

5 結論

筆者應用ABAQUS有限元分析軟件，根據實際載荷情況對攪拌摩擦焊構架進行約束加載，并進行計算，得到了攪拌摩擦焊構架的應力最大點，又對結構進行了強度和疲勞壽命分析，得出以下結論。

（1）根據構架等效應力云圖，得出構架滑塊處所受等效應力最大為80.91 MPa，小于所選材料屈服極限，滿足了構架結構強度設計要求。

（2）根據材料抗拉強度205 MPa，通過疲勞計算，得到構架使用壽命為4.592 5×106次循環，滿足結構疲勞設計要求。

（3）通過有限元分析得出構架相對薄弱部位，為后續構架結構優化提供理論依據。