挖斗焊接結構不同載荷方式下受力有限元分析

柳岸敏，劉國興，馬一鳴，徐 杰，樊 宇

1.常州信息職業技術學院，江蘇 常州 213164

2.中國礦業大學 材料與物理學院，江蘇 徐州 221004

0 前言

液壓挖掘機是一種常用的工程機械裝備，被廣泛應用于礦山開采、物料鏟裝、河道疏通及各類大型基礎建設中［1-2］。挖斗作為挖掘機任務執行的主要承載件，也是工作最為頻繁的部件之一，在工程應用中常發生結構損壞［3］。

從未來發展趨勢來看，工程機械將朝著低能耗、高效率及長壽命的方向發展［4］。隨著挖掘機需求量的快速增長，國內外學者不斷利用先進技術及方法對其進行結構設計和優化。季鵬［5］等基于ANSYS分析軟件，模擬了挖掘機鏟斗的焊接過程，并預測了結構件的焊接殘余應力。張明松［6］等對挖斗在不同工況下的載荷進行了強度及剛度分析，并根據結果對關鍵部位進行了優化。殷淑芳［7］等通過將載荷集中加載研究了挖斗在極端應力下的應力響應。Hadi［8］等計算了單獨挖掘的理論挖掘力，并對梯形鏟斗進行了結構分析。

目前關于挖斗結構的分析研究較多，而對于挖斗焊接結構不同載荷條件下的受力還缺乏較為系統的研究。因此，本文分別應用MSC.Marc和ANSYS Workbench有限元軟件，針對某型號挖斗關鍵焊縫焊接過程和斗齒不同受力方式進行計算與分析，為挖斗焊接結構強度校核以及進一步的優化設計提供理論依據與參考。

1 有限元模型

1.1 建立挖斗關鍵焊接結構幾何模型

挖掘機挖斗主要由支耳組件、左右側板組件、刃板組件、弧板、角撐板、耐磨條等組成，其中支耳組件作為關鍵的焊接結構是連接挖斗與斗桿的重要部件。利用UG三維造型軟件建立某型號挖斗和支耳關鍵焊接結構的三維幾何模型，如圖1所示，圖1a為整體挖斗和支耳組件結構幾何模型，圖1b、1c分別為支耳關鍵焊接結構和局部焊縫幾何模型。

圖1 挖斗及其關鍵焊接結構三維幾何模型Fig.1 3D model of bucket and its key welding structure

在力學分析中，將建好的三維幾何模型導入ANSYS Workbench軟件中，由于導入的模型可能會出現元素尺寸等參數的丟失，因此，需要利用布爾運算將原有對象進行計算后重新編碼，以修復模型的部分缺失［9］。

1.2 網格劃分

網格劃分是有限元前處理工作中的一個關鍵環節，模型的網格質量直接影響分析結果。有限元軟件中提供了多種不同的網格劃分方式，如多域掃掠型網格劃分法、四面體網格劃分法、六面體網格劃分法和自動網格劃分法等［10］。

根據模型的實際特征，對挖斗不同部件采用不同的網格劃分方式，如側板主要采用四面體網格，加強板多為六面體網格，對直接受到載荷作用的斗齒部位和焊縫區域進行細化處理，以提高計算精度，使求解結果更加準確。劃分后的網格模型如圖2所示，其中共計739 189個節點和212 260個單元。

圖2 有限元網格模型Fig.2 Finite element mesh model

1.3 施加約束條件

結構靜力學分析中，施加約束的意義在于模擬結構件在真實環境中的情況，使添加的約束能夠消除結構件的剛體位移，同時模型的自由度和所處的真實環境一致［11］。

通過分析挖斗結構在實際作業過程中的真實物理環境，本研究將約束施加在挖斗的鉸軸處，即選擇圖3a中鉸軸，施加固定約束；同時選擇如圖3b中的鉸軸，施加液壓油缸作用力，其值為271 kN。

圖3 施加約束示意Fig.3 Schematic diagram of constraint conditions

2 挖斗支耳關鍵焊縫焊接過程分析與討論

挖斗支耳組件各部分通過焊縫連接，共8條主焊縫，如圖4所示。鑒于挖斗支耳組件焊縫較多，模型復雜，本文采用專業非線性有限元軟件MSC.Marc對支耳焊接過程進行仿真模擬計算分析。

圖4 挖斗支耳組件焊縫示意Fig.4 Weld diagram of bucket lug assembly

選用雙橢球熱源模型，該模型充分體現了焊接過程中熱源前端溫度變化快而后端溫度變化慢的特點，能有效表征電弧焊的熔池形貌。以支耳主焊縫5為例，模擬計算得到的焊縫5焊接完成時刻的溫度分布云圖如圖5所示，為與實際焊絲的填充過程更為吻合，計算過程中通過采用生死單元技術來模擬實際焊縫的填絲過程。隨著焊接過程的進行（見圖5a），在熱傳導和對流作用下，焊接輸入的熱量向熔池四周擴散，因此熔池中心溫度最高，而遠離熔池中心的區域溫度逐漸降低。圖5b為所有焊縫焊接完成后模型冷卻到400 s時的溫度分布云圖，由于焊接的先后順序，在焊縫區向母材區的熱傳遞以及模型向周圍環境散熱的影響下，支耳整體溫度分布并不均勻，且在最后一道焊縫的收弧位置溫度最高，這與實際焊接過程相符。

圖5 焊接不同時刻的溫度場分布云圖Fig.5 Nephogram of temperature field distribution at different times of welding

在溫度場計算時，將模型熔池及熱影響區的溫度輪廓與挖斗支耳焊接接頭的形貌進行對比，通過不斷調整熱源模型參數，最終得到與實際匹配的熔池形貌，如圖6所示。可以看出，熔池和熱影響區大小與實際焊接接頭吻合良好，進而驗證了本研究所建立的熱源模型是合理的，且具有較高精度。

圖6 模擬熔池與實際焊接接頭對比Fig.6 Comparison between simulated weld pool and actual welded joint

圖7為焊后冷卻至室溫后的縱向殘余應力分布云圖，圖8為沿著焊縫方向（以支耳主焊縫5為例，其他主焊縫的結果類似，這里不再一一給出）的殘余應力分布曲線。由圖7可知，焊縫及附近熱影響區域的殘余應力普遍較大，且4條主焊縫（焊縫5～8）上縱向殘余應力的峰值均位于焊縫的弧焊段處，結合實際焊接結構現場反饋的失效案例可知，該位置損壞較為頻繁。可見，支耳焊接過程中產生的較大殘余應力也是造成其易發生早期失效的重要原因。

圖7 縱向殘余應力分布云圖Fig.7 Cloud image of longitudinal residual stress distribution

圖8 焊縫5上的殘余應力分布曲線Fig.8 Residual stress distribution curve on weld 5

3 挖斗焊接結構受力有限元分析結果與討論

3.1 齒端不同載荷方式下受力分析

由于挖掘機工作時工況的多樣性且受物料不同的影響，作用于挖斗上的載荷是復雜且多變的。在挖掘機的實際工作中，挖斗上各個斗齒的受力工況也是隨機的，很多時候載荷可能集中在其中幾個斗齒甚至單獨某一個斗齒上。針對這種情況，研究不同齒端受力時的結構應力響應時，將載荷施加于齒端面上的情況如圖9所示，在此分別考慮：五齒端均勻受力（理想工況）；單齒受力（極端工況），包括左1齒、左2齒、中間齒、右1齒和右2齒5種不同的受力方式；兩齒受力時，包括左1、2齒在內的10種不同受力方式；三齒受力，包括左1、2、3齒等4種受力方式；四齒受力時，包括3種受力方式。

圖9 齒端受力示意Fig.9 Schematic diagram of tooth end force

挖斗在五齒均勻受力方式下的等效應力與位移云圖如圖10所示，挖斗最大應力位于左1齒，最大應力值為351.22 MPa，最大變形量6.373 4 mm。

圖10 五齒均勻受力時應力和變形云圖Fig.10 Stress and deformation nephogram of five teeth under uniform stress

挖斗的強度校核條件為：

式中σlim為材料屈服應力（單位：MPa），斗齒的屈服應力為910 MPa；σcamax為計算得到的挖斗最大應力（單位：MPa）；［S］為材料安全系數。

由強度校核條件可知，五齒均勻受力時斗齒上的安全系數可達2.59。按照機械設計中塑性材料的設計準則，一般安全系數取1.2～2.5，另據起重機械輪軸類設計準則，安全系數一般取1.4～1.6，可見，該型號挖斗結構的安全系數滿足靜載設計要求。

對挖斗單齒參與受力時的5種極端工況進行受力分析，結果如表1所示。據上文分析，取安全系數為1.4，那么斗齒上的許用應力值為650 MPa。從表1可以看出，在單齒受力的極端工況下，挖斗的最大等效應力與最大變形都位于相應的受力齒上，且所有工況下挖斗的最大應力都超過了許用應力。而在左1或右1齒單獨受力時，挖斗的變形情況最為嚴重。

表1 單齒受力有限元分析結果Table 1 FEA results of single tooth stress

挖斗兩齒受力時10種工況下的受力分析結果表明，當受力相對對稱分布時斗齒上的最大應力相對較小；而當受力集中偏向某一側時，挖斗的應力和變形均顯著增大。挖斗在三齒及四齒參與受力時的計算結果表明：當外載荷在1、3、5齒對稱分布時，挖斗最大應力及變形相較于集中于挖斗邊上三齒（如左1、2、3齒和右1、2、3齒）時大幅下降；而四齒參與受力的三種工況下，挖斗最大等效應力均小于許用應力。以上各工況下挖斗結構的最大應力及變形多位于邊齒上。

綜上分析可知，在外載荷作用下挖斗結構的最大應力與最大變形多位于邊齒上，說明該處是結構的薄弱部位易發生損壞，該結果與挖斗實際工作時現場發生失效的反饋結果一致，同時與文獻［12］報道結果相吻合。此外，挖斗各個斗齒相對對稱受力時，結構的應力及變形較低，而當外載荷集中于少數齒或受力偏向某一側時，斗齒上的最大應力急劇增大。因此，在挖斗結構設計時，可以考慮通過采用新型材料或增加材料的用量等局部強化手段來提高邊齒區域的結構強度；而對于受力相對較小的部位如側板和底板等，則可以適當降低材料等級或適量減薄板厚，在保證挖斗滿足使用強度的同時最大限度地節約制造成本。

3.2 齒端面不同壓力下的受力分析

為了便于比較分析挖斗在不同大小載荷作用下的結構應力及變形情況，通過在齒端面施加不同的壓力（如25～125 MPa），對同一壓力、不同工況下的應力大小及分布情況進行比較，探討其應力分布規律及在實際挖掘過程中壓力大小對挖斗結構的影響，結果如圖11、圖12所示。

分析圖11、圖12可知，各工況下挖斗的最大應力及變形均隨壓力的增加而顯著增大。在壓力較小時，各工況下的應力及變形的差距非常小。隨著壓力的增大，不同工況下的差別明顯增加。

圖11 齒端不同壓力下挖斗的受力分析Fig.11 Stress analysis of bucket under different pressure of tooth end

圖12 齒端不同壓力下挖斗的變形分析Fig.12 Deformation analysis of bucket under different pressure of tooth end

此外，當壓力越集中于少數斗齒或斗齒受力越不對稱時，挖斗的應力及變形增長速率會越大，且明顯高于五齒均勻受力情況，如單獨的左1齒或右1齒受力時，其在較大壓力下的應力及變形顯著大于其余工況。

綜上結果表明，挖斗最大變形量與等效應力的分布與挖斗實際作業過程中的工況有關，本模型計算結果與實際失效案例的反饋結果相吻合［13］，表明本研究中力學模型及有限元計算結果合理可靠。此外，偏載工況下齒端所受應力與變形隨壓力的增大增長較快，易導致受力薄弱區發生早期失效與斷裂，因此，在挖掘機作業時應特別注意避免偏載對結構造成的影響。

4 結論

本文建立了挖掘機挖斗焊接結構的三維有限元模型，系統研究了挖斗斗齒齒端受力不同工況對挖斗結構應力及變形的影響，得出結論如下：

（1）支耳關鍵焊縫區域殘余應力普遍較大，且耳板主焊縫上縱向殘余應力峰值位于各焊縫的弧焊段。

（2）該型號挖斗焊接結構滿足靜載設計要求，不同工況條件時，在外載荷作用下挖斗的最大應力與變形多位于邊齒，說明該處是挖斗結構的薄弱部位易發生損壞，這與該型號挖斗現場失效案例的反饋結果一致。

（3）不同工況下挖斗應力及變形的差距隨壓力增加而增大，且偏載工況下齒端所受應力與變形隨壓力的增加而增大較快，易導致受力薄弱區發生早期失效與斷裂。