Finite Element Analysis of Welded Excavator Bucket under Different Loading Modes

挖斗焊接结构不同载荷方式下受力有限元分析 Finite Element Analysis of Welded Excavator Bucket under Different Loading Modes 1 first-author 柳岸敏（1981—），女，博士，高级工程师，主要从事激光应用技术的研究。 柳岸敏（1981—），女，博士，高级工程师，主要从事激光应用技术的研究。 2 2 2 corresp 徐　杰（1978—），女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事金属焊接结构断裂、疲劳、管线钢完整性评估和有限元数值模拟等方面的研究。E-mail：j.xu@cumt.edu.cn。 徐　杰（1978—），女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事金属焊接结构断裂、疲劳、管线钢完整性评估和有限元数值模拟等方面的研究。E-mail：j.xu@cumt.edu.cn。 j.xu@cumt.edu.cn 2 常州信息职业技术学院,江苏 常州 213164 常州信息职业技术学院,江苏 常州 213164 School of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China School of Mechanical and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China 中国矿业大学 材料与物理学院,江苏 徐州 221004 中国矿业大学 材料与物理学院,江苏 徐州 221004 School of Materials Science and Physics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221004, China School of Materials Science and Physics, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221004, China 采用UG三维造型软件建立了某型号挖掘机挖斗焊接结构的三维几何模型，通过导入MSC.Marc和ANSYS Workbench软件，分别针对挖斗关键焊缝焊接过程和挖斗齿端在不同载荷工况下的受力进行有限元模拟计算与分析。基于挖掘机在挖掘过程中不同斗齿参与受力时的多种工况条件，系统研究了挖斗焊接结构不同工况条件下的应力和变形情况。研究结果表明：支耳关键焊缝区域残余应力较大，且耳板主焊缝上纵向残余应力峰值位于各焊缝的弧焊段；五齿均匀受力时，该型号挖斗满足静载设计要求；五齿不对称受力或偏载时会导致挖斗结构产生较大的应力与变形，并易导致挖斗发生早期损坏与失效；不同工况下挖斗结构应力及变形的差距随外载荷的增加而显著增大，且最大应力及变形多集中于挖斗的边齿位置，说明该处是挖斗结构的薄弱部位易发生损坏，这与该型号挖斗现场失效案例的反馈结果一致。本研究为挖斗的结构设计与优化提供了重要的理论依据。 In this paper, a three-dimensional geometric model of the welded excavator bucket was established by using UG software. By importing MSC.Marc and ANSYS Workbench, finite element simulation and analysis were carried out respectively for the welding process of the key welding seams and the force of bucket tooth under different loading conditions. The stress and deformation of welded bucket structure were systematically studied when the bucket teeth are subjected to different forces in the excavation process. The results show that the residual stress in the weld area is relatively large, and the peak values of the longitudinal residual stress on the key welds of the lugs are located in the arc welding section of the weld. The bucket meets the static load design requirements when the five teeth are evenly stressed. However, when the five teeth are subjected to asymmetrical stress or biased load, the bucket structure will produce greater stress and deformation, and easily lead to early damage and failure of the bucket. The difference of structure stress and deformation between various working conditions increases significantly with the increase of external load, and the maximum stress and deformation are mostly concentrated in the position of the edge teeth of the bucket. This indicates that the edge tooth is the weak part of the bucket structure and liable to be damaged, which is consistent with the feedback results of the field failure cases of this type of bucket. The results provide an important theoretical basis for the subsequent structural design and optimization of the bucket. 挖斗 焊接结构 焊接应力 不同载荷工况 有限元分析 bucket welded structure welding stress different working conditions finite element analysis (FEA) 前言 1 液压挖掘机是一种常用的工程机械装备，被广泛应用于矿山开采、物料铲装、河道疏通及各类大型基础建设中 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ 。挖斗作为挖掘机任务执行的主要承载件，也是工作最为频繁的部件之一，在工程应用中常发生结构损坏 ［ 3 3 ］ 。 从未来发展趋势来看，工程机械将朝着低能耗、高效率及长寿命的方向发展 ［ 4 4 ］ 。随着挖掘机需求量的快速增长，国内外学者不断利用先进技术及方法对其进行结构设计和优化。季鹏 ［ 5 5 ］ 等基于ANSYS分析软件，模拟了挖掘机铲斗的焊接过程，并预测了结构件的焊接残余应力。张明松 ［ 6 6 ］ 等对挖斗在不同工况下的载荷进行了强度及刚度分析，并根据结果对关键部位进行了优化。殷淑芳 ［ 7 7 ］ 等通过将载荷集中加载研究了挖斗在极端应力下的应力响应。Hadi ［ 8 8 ］ 等计算了单独挖掘的理论挖掘力，并对梯形铲斗进行了结构分析。 目前关于挖斗结构的分析研究较多，而对于挖斗焊接结构不同载荷条件下的受力还缺乏较为系统的研究。因此，本文分别应用MSC.Marc和ANSYS Workbench有限元软件，针对某型号挖斗关键焊缝焊接过程和斗齿不同受力方式进行计算与分析，为挖斗焊接结构强度校核以及进一步的优化设计提供理论依据与参考。 有限元模型 1 建立挖斗关键焊接结构几何模型 2 挖掘机挖斗主要由支耳组件、左右侧板组件、刃板组件、弧板、角撑板、耐磨条等组成，其中支耳组件作为关键的焊接结构是连接挖斗与斗杆的重要部件。利用UG三维造型软件建立某型号挖斗和支耳关键焊接结构的三维几何模型，如 图1 图1 所示， 图1 图1 a为整体挖斗和支耳组件结构几何模型，图 1 1 b、 1 1 c分别为支耳关键焊接结构和局部焊缝几何模型。 1;2; 在力学分析中，将建好的三维几何模型导入ANSYS Workbench软件中，由于导入的模型可能会出现元素尺寸等参数的丢失，因此，需要利用布尔运算将原有对象进行计算后重新编码，以修复模型的部分缺失 ［ 9 9 ］ 。 网格划分 2 网格划分是有限元前处理工作中的一个关键环节，模型的网格质量直接影响分析结果。有限元软件中提供了多种不同的网格划分方式，如多域扫掠型网格划分法、四面体网格划分法、六面体网格划分法和自动网格划分法等 ［ 10 10 ］ 。 根据模型的实际特征，对挖斗不同部件采用不同的网格划分方式，如侧板主要采用四面体网格，加强板多为六面体网格，对直接受到载荷作用的斗齿部位和焊缝区域进行细化处理，以提高计算精度，使求解结果更加准确。划分后的网格模型如 图2 图2 所示，其中共计739 189个节点和212 260个单元。 1;2; 施加约束条件 2 结构静力学分析中，施加约束的意义在于模拟结构件在真实环境中的情况，使添加的约束能够消除结构件的刚体位移，同时模型的自由度和所处的真实环境一致 ［ 11 11 ］ 。 通过分析挖斗结构在实际作业过程中的真实物理环境，本研究将约束施加在挖斗的铰轴处，即选择 图3a 图3a 中铰轴，施加固定约束；同时选择如 图3b 图3b 中的铰轴，施加液压油缸作用力，其值为271 kN。 1;2; 挖斗支耳关键焊缝焊接过程分析与讨论 1 挖斗支耳组件各部分通过焊缝连接，共8条主焊缝，如 图4 图4 所示。鉴于挖斗支耳组件焊缝较多，模型复杂，本文采用专业非线性有限元软件MSC.Marc对支耳焊接过程进行仿真模拟计算分析。 选用双椭球热源模型，该模型充分体现了焊接过程中热源前端温度变化快而后端温度变化慢的特点，能有效表征电弧焊的熔池形貌。以支耳主焊缝5为例，模拟计算得到的焊缝5焊接完成时刻的温度分布云图如 图5 图5 所示，为与实际焊丝的填充过程更为吻合，计算过程中通过采用生死单元技术来模拟实际焊缝的填丝过程。随着焊接过程的进行（见 图5a） 图5a） ，在热传导和对流作用下，焊接输入的热量向熔池四周扩散，因此熔池中心温度最高，而远离熔池中心的区域温度逐渐降低。 图5b 图5b 为所有焊缝焊接完成后模型冷却到400 s时的温度分布云图，由于焊接的先后顺序，在焊缝区向母材区的热传递以及模型向周围环境散热的影响下，支耳整体温度分布并不均匀，且在最后一道焊缝的收弧位置温度最高，这与实际焊接过程相符。 1;2; 在温度场计算时，将模型熔池及热影响区的温度轮廓与挖斗支耳焊接接头的形貌进行对比，通过不断调整热源模型参数，最终得到与实际匹配的熔池形貌，如 图6 图6 所示。可以看出，熔池和热影响区大小与实际焊接接头吻合良好，进而验证了本研究所建立的热源模型是合理的，且具有较高精度。 图7 图7 为焊后冷却至室温后的纵向残余应力分布云图， 图8 图8 为沿着焊缝方向（以支耳主焊缝5为例，其他主焊缝的结果类似，这里不再一一给出）的残余应力分布曲线。由 图7 图7 可知，焊缝及附近热影响区域的残余应力普遍较大，且4条主焊缝（焊缝5~8）上纵向残余应力的峰值均位于焊缝的弧焊段处，结合实际焊接结构现场反馈的失效案例可知，该位置损坏较为频繁。可见，支耳焊接过程中产生的较大残余应力也是造成其易发生早期失效的重要原因。 挖斗焊接结构受力有限元分析结果与讨论 1 齿端不同载荷方式下受力分析 2 由于挖掘机工作时工况的多样性且受物料不同的影响，作用于挖斗上的载荷是复杂且多变的。在挖掘机的实际工作中，挖斗上各个斗齿的受力工况也是随机的，很多时候载荷可能集中在其中几个斗齿甚至单独某一个斗齿上。针对这种情况，研究不同齿端受力时的结构应力响应时，将载荷施加于齿端面上的情况如 图9 图9 所示，在此分别考虑：五齿端均匀受力（理想工况）；单齿受力（极端工况），包括左1齿、左2齿、中间齿、右1齿和右2齿5种不同的受力方式；两齿受力时，包括左1、2齿在内的10种不同受力方式；三齿受力，包括左1、2、3齿等4种受力方式；四齿受力时，包括3种受力方式。 挖斗在五齿均匀受力方式下的等效应力与位移云图如 图10 图10 所示，挖斗最大应力位于左1齿，最大应力值为351.22 MPa，最大变形量6.373 4 mm。 1;2; 挖斗的强度校核条件为： <math display="block" id="M1"><mo stretchy="false">[</mo><mi>σ</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">l</mi><mi mathvariant="normal">i</mi><mi mathvariant="normal">m</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>S</mi><mo stretchy="false">]</mo><mo>></mo><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>c</mi><mi>a</mi><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">x</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292942&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292939&type= 27.77066803 4.40266657 式中　 σ lim 为材料屈服应力（单位：MPa），斗齿的屈服应力为910 MPa； σ ca max 为计算得到的挖斗最大应力（单位：MPa）；［ S ］为材料安全系数。 由强度校核条件可知，五齿均匀受力时斗齿上的安全系数可达2.59。按照机械设计中塑性材料的设计准则，一般安全系数取1.2~2.5，另据起重机械轮轴类设计准则，安全系数一般取1.4~1.6，可见，该型号挖斗结构的安全系数满足静载设计要求。 对挖斗单齿参与受力时的5种极端工况进行受力分析，结果如 表1 表1 所示。据上文分析，取安全系数为1.4，那么斗齿上的许用应力值为650 MPa。从 表1 表1 可以看出，在单齿受力的极端工况下，挖斗的最大等效应力与最大变形都位于相应的受力齿上，且所有工况下挖斗的最大应力都超过了许用应力。而在左1或右1齿单独受力时，挖斗的变形情况最为严重。 受力位置 最大等效应力 /MPa 最大变形量 /mm 最大应力 位置 最大变形 位置 左1齿 850.1 13.055 左1齿 左1齿 左2齿 800.65 9.107 7 左2齿 左2齿 中间齿 773.93 7.634 5 中间齿 中间1齿 右1齿 767.09 13.064 右1齿 右1齿 右2齿 817.76 9.110 6 右2齿 右2齿 挖斗两齿受力时10种工况下的受力分析结果表明，当受力相对对称分布时斗齿上的最大应力相对较小；而当受力集中偏向某一侧时，挖斗的应力和变形均显著增大。挖斗在三齿及四齿参与受力时的计算结果表明：当外载荷在1、3、5齿对称分布时，挖斗最大应力及变形相较于集中于挖斗边上三齿（如左1、2、3齿和右1、2、3齿）时大幅下降；而四齿参与受力的三种工况下，挖斗最大等效应力均小于许用应力。以上各工况下挖斗结构的最大应力及变形多位于边齿上。 综上分析可知，在外载荷作用下挖斗结构的最大应力与最大变形多位于边齿上，说明该处是结构的薄弱部位易发生损坏，该结果与挖斗实际工作时现场发生失效的反馈结果一致，同时与文献［ 12 12 ］报道结果相吻合。此外，挖斗各个斗齿相对对称受力时，结构的应力及变形较低，而当外载荷集中于少数齿或受力偏向某一侧时，斗齿上的最大应力急剧增大。因此，在挖斗结构设计时，可以考虑通过采用新型材料或增加材料的用量等局部强化手段来提高边齿区域的结构强度；而对于受力相对较小的部位如侧板和底板等，则可以适当降低材料等级或适量减薄板厚，在保证挖斗满足使用强度的同时最大限度地节约制造成本。 齿端面不同压力下的受力分析 2 为了便于比较分析挖斗在不同大小载荷作用下的结构应力及变形情况，通过在齿端面施加不同的压力（如25~125 MPa），对同一压力、不同工况下的应力大小及分布情况进行比较，探讨其应力分布规律及在实际挖掘过程中压力大小对挖斗结构的影响，结果如 图11 图11 、 图12 图12 所示。 分析 图11 图11 、 图12 图12 可知，各工况下挖斗的最大应力及变形均随压力的增加而显著增大。在压力较小时，各工况下的应力及变形的差距非常小。随着压力的增大，不同工况下的差别明显增加。 此外，当压力越集中于少数斗齿或斗齿受力越不对称时，挖斗的应力及变形增长速率会越大，且明显高于五齿均匀受力情况，如单独的左1齿或右1齿受力时，其在较大压力下的应力及变形显著大于其余工况。 综上结果表明，挖斗最大变形量与等效应力的分布与挖斗实际作业过程中的工况有关，本模型计算结果与实际失效案例的反馈结果相吻合 ［ 13 13 ］ ，表明本研究中力学模型及有限元计算结果合理可靠。此外，偏载工况下齿端所受应力与变形随压力的增大增长较快，易导致受力薄弱区发生早期失效与断裂，因此，在挖掘机作业时应特别注意避免偏载对结构造成的影响。 结论 1 本文建立了挖掘机挖斗焊接结构的三维有限元模型，系统研究了挖斗斗齿齿端受力不同工况对挖斗结构应力及变形的影响，得出结论如下： （1）支耳关键焊缝区域残余应力普遍较大，且耳板主焊缝上纵向残余应力峰值位于各焊缝的弧焊段。 （2）该型号挖斗焊接结构满足静载设计要求，不同工况条件时，在外载荷作用下挖斗的最大应力与变形多位于边齿，说明该处是挖斗结构的薄弱部位易发生损坏，这与该型号挖斗现场失效案例的反馈结果一致。 （3）不同工况下挖斗应力及变形的差距随压力增加而增大，且偏载工况下齿端所受应力与变形随压力的增加而增大较快，易导致受力薄弱区发生早期失效与断裂。 参考文献 彭白水 . 国内外超大型液压挖掘机展望 ［J］. 建设机械技术与管理 ， 2008 （ 09 ）： 37 - 41 . 国内外超大型液压挖掘机展望 PENG Baishui . 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