某車架焊接接頭的疲勞斷裂分析和優化設計

文/吳小峰 梁長佳 王彥博（安徽合力股份有限公司）

車架是叉車的主要承載結構件，不僅承受叉車因叉取貨物而產生的工作負荷，也承受所安裝附件特別是配重等產生的自重力以及來自地面的沖擊載荷等。目前叉車車架多是由板件拼焊而成的焊接件，焊接接頭的安全耐久性是叉車車架結構設計中需要考慮的重要問題。本文針對某叉車車架焊接接頭的斷裂問題，通過應變試驗分析、有限元靜力分析和疲勞分析，明確了焊接接頭斷裂的原因，有針對性地優化結構和焊接接頭，達到了延長車架的使用壽命的目的。

一、焊接接頭的斷裂問題

某型叉車車架在臺架疲勞試驗中發現縱梁焊接接頭處產生了裂紋，繼而出現擴展致使縱梁斷裂，如圖1所示。觀察研究焊接接頭處的裂紋形狀和臺架試驗次數，推測該焊接接頭處可能存在應力集中。為了明確焊接接頭的破壞原因，進行了有限元法應力分析、應力應變試驗及疲勞分析。

二、應變試驗與靜力分析

圖1 車架縱梁焊接接頭處的裂紋和應變試驗中應變片的布置

針對車架縱梁焊接接頭的疲勞破壞點，在焊縫焊趾等處布置應變片，如圖1所示?；谲嚰艿钠谠囼炁_，應用HBMMGCplus數據采集系統，設置50Hz的采樣頻率，采集記錄車架臺架正弦受載的數個循環而產生的應變數據，而后處理換算成應力數據，得到該車架焊縫焊趾處產生的峰值應力約為322MPa，平均交變應力幅約為286MPa。相對Q355的材料而言，該峰值應力和應力幅偏大。

基于ANSYS軟件平臺，在極限受力狀態下進行了車架的靜力分析，即約束加載模擬臺架的最大受力狀態。建模中用實體單元模擬了車架以及焊縫結構，車架及臺架系統的有限元模型如圖2所示。該車架焊縫焊趾處對應測點的仿真計算應力約為312MPa，相對試驗值的誤差約為-3%，可見仿真計算與試驗測試基本吻合，仿真計算結果可信。

圖2 車架及臺架系統的有限元模型

仿真靜力分析計算焊縫焊趾處的應力分布云圖如圖3所示。從圖3可見，該焊縫接頭產生裂紋的區域應力梯度較大，發生了惡劣的應力集中現象，產生了過大的應力，局部峰值應力甚至超過了材料的屈服極限，加劇了該處破壞的風險。

圖3 車架焊接接頭處的計算應力分布

三、疲勞分析與優化設計

基于nCode軟件平臺，依據標準Eurocode3的方法對車架斷裂處的焊縫接頭進行疲勞計算[1-3]，該車架焊接接頭近似歸于標準中B.1表中的100類，S-N曲線如圖4所示。焊接接頭處的熱點應力分別用焊趾處的試驗測試應力和仿真局部峰值應力估計，計算得到該焊接接頭的疲勞壽命分別為8.6萬次和2.7萬次。而車架的實際疲勞試驗約在正弦加載7.3萬次時就發現該焊接接頭處產生了明顯的裂紋，此值介于仿真結果的區間范圍內，可見仿真疲勞計算結果具有一定的可信性。

圖4 Eurocode3標準中焊接接頭100類的S-N曲線

針對性地優化車架縱梁焊接接頭處的結構，主要通過局部補強結構和改變焊接接頭布置的辦法，達到降低該區域的應力集中程度以及提高疲勞壽命的目的。優化后車架該處焊接接頭的局部應力峰值約為211MPa，如圖5所示。而以此評估焊接接頭的疲勞壽命約為38.6萬次，滿足內控不小于30萬次的要求。該型車架目前使用良好，再未發生出現裂紋的情況，可見優化設計達到了預期的目的。

圖5 優化后車架焊接接頭處的計算應力分布

四、結論

通過應變試驗分析和仿真靜力分析，發現在車架縱梁焊接接頭的斷裂處存在惡劣的應力集中，以致產生了過大的應力，是車架該處斷裂的根本原因。通過Eurocode3的焊縫疲勞計算方法，用試驗數據和仿真數據估計熱點應力，相對可信地計算了該焊接接頭的疲勞壽命。有針對性地優化了該焊接接頭的結構，延長了車架的使用壽命，為類似焊接接頭的疲勞分析提供了一定的參考。