基于主S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估.pdf
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1、2023Dec.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年12 月No.12Vol.40第40 卷第12 期机设计械基于主 S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估杨思源,宋绪丁,万一品(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西西安710064)摘要:针对装载机在使用过程中焊接结构的疲劳开裂问题,文中在其设计阶段进行了疲劳寿命评估。首先,建立了工作装置中连杆网格尺寸为10,5,2.5 mm的有限元模型,对其进行静力学求解并提取其焊趾节点的结构应力,结果表明,在这3 种网格尺寸下结构应力大小的相对误差不超过1%,验证了主S-N曲线法对网格尺寸不敏感的特性。此外,建立额定载质量9
2、 t的装载机工作装置在台架试验姿态下含有焊缝细节特征的三维有限元模型,采用实测得到的疲劳试验加速加载谱进行加载计算,获得焊线L1L8的结构应力,根据各焊线所受的载荷模式及所处位置的板厚等参数计算得到了工作装置焊线L1L8的疲劳寿命,并与采用FE-SAFE软件计算得到的8 条焊线疲劳寿命进行对比,二者分析结果均在焊线L2(动臂板与动臂油缸连接处焊缝)处首先发生疲劳破坏,疲劳寿命分别为12 3 7 6.3 和9 5 9 7.6 h;通过与采用IIW和BS7608标准计算的寿命进行对比,分析了结果差异的原因,评估结果对改进装载机工作装置结构与焊缝优化提供了依据。关键词:装载机;工作装置;疲劳寿命;主
3、S-N曲线;FE-SAFE中图分类号:TG405文献标识码:A文章编号:10 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)12-0 0 15-0 8Fatigue-life assessment of loader s working device based onmaster S-N curveYANG Siyuan,SONG Xuding,WAN Yipin(Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment,Ministry of Education,Chang an University,Xian 710064)Abst
4、ract:Since the loaders welding structure in operation suffers from fatigue cracking,in this article efforts are made toassess the fatigue life in the design stage.Firstly,the finite-element models with the connecting-rod mesh sizes of 10,5,2.5 mmare set up for the working device.They are statically
5、solved,and the structural stress of their weld-toe nodes is extracted.The re-sults show that as for the three mesh sizes,the relative error of the structural stress does not exceed 1%,which has verified thatthe main S-N curve method is not sensitive to mesh sizes.Besides,the three-dimensional finite
6、-element model of the 9 t loadersworking device with rated load and weld details in a bench-test posture is set up.Then,the fatigue experimental acceleration loadspectrum obtained from the actual measurement is used to work out the structural stress of the welding lines LIL8;the fatiguelife of the w
7、orking devices welding lines L1 L8 is calculated based on the load mode of each welding line and the plate thick-ness at its location.Then,it is compared with the fatigue life of the 8 welding lines calculated by FE-SAFE.The analytical resultsshow that fatigue failure first occurs in the welding lin
8、e L2(the weld seam at the connection between the boom plate and the boomoil cylinder),with the fatigue life of 12 376.3 and 9 597.6 h respectively.By comparing the lifespan with the IIW and BS stand-ards,the reasons for difference in the results are identified.The results obtained from the assessmen
9、t provide basis for improvingthe structure of the loaders working device and optimizing the weld seam.Key words:loader;working device;fatigue life;master S-N curve;FE-SAFE收稿日期:2 0 2 1-10-10;修订日期:2 0 2 3-0 6-0 7基金项目:国家科技支撑计划项目(2 0 15 BAF07B02);陕西省自然科学基础研究计划青年项目(2 0 2 1JQ-283)16第40 卷第12 期机计设械装载机在进行铲装作
10、业时,其工作装置焊接接头区域往往存在较大的应力集中,且常伴随有各种焊接缺陷,因而是最容易发生疲劳破坏的区域,如图1所示。对这些焊接区域采用合适、准确的方法评估其疲劳寿命成为提升整机质量的关键。疲劳裂纹图1动臂后铰孔焊接区域疲劳开裂近年来,国内外相关研究学者对焊接结构疲劳性能开展了多项研究工作,其评估方法主要聚焦于名义应力法、热点应力法及缺口应力法1-5 。不难发现,名义应力法应用最为广泛,得益于其评估流程的简便,但寿命结果会因接头类型选择的不同因人而异。热点应力法将应力外推以得更加准确的应力结果,但计算成本较高。根据国际焊接协会对缺口应力法网格尺寸的推荐可知,该方法要求缺口处网格尺寸极为精细严
11、格,不利于应用在含有较多焊接结构且结构尺寸较大的装备中。针对传统方法的局限性,许多研究人员将目光转向对网格不敏感的结构应力法。Ye等6 采用壳单元模型计算出钢桥易疲劳焊缝焊趾处的结构应力分布并进行疲劳寿命估算,发现单一的主S-N曲线有助于解决传统疲劳寿命评估方法中需要选择合适的S-N曲线的困难。梁树林等7 对客车转向架进行了有限元分析,应用结构应力法计算了焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命,计算结果与实际开裂情况相当吻合,表明该方法具有重要工程推广价值。综上可知,结构应力法大多应用于桥梁、动车组与汽车转向架领域的疲劳设计,在工程机械尤其是土方机械方面涉足较少,且大多采用二维壳单元进行有限元计算,计算精
12、度有限。因此,为完善土方机械的焊接结构疲劳寿命评估方法的应用,文中建立额定载质量为9 t的装载机工作装置含有焊缝细节特征的三维有限元模型,采用结构应力法对其中8 条主要焊线进行疲劳寿命理论计算,并与采用FE-SAFE软件计算得到的结果进行对比,确定工作装置最先发生疲劳破坏的焊缝位置及其疲劳寿命,为工作装置结构改进和焊缝的优化提供参考。1疲劳寿命评估的结构应力法在评估焊接结构的疲劳寿命时,最常用的方法就是名义应力法。名义应力法使用简便,但是必须依据焊接接头几何形状和受力状态进行分类,而且对于复杂的接头存在无法确定其类别或名义应力的情况8 由于采用名义应力法评估焊缝疲劳寿命时很难找到一条适用于待评
13、估寿命焊缝所对应的S-N曲线,国际焊接学会(International Institute of Welding,I I W)提出了热点应力法,试图将焊缝附近的应力外推,以获得焊趾处的应力集中9 。但此方法对有限元模型网格的大小非常敏感,评估结果因人而异呈现出较大的离散性。针对名义应力法与热点应力法的局限性,特别是应力对网格敏感的名义应力法,美国机械工程师协会ASME以标准的形式给出一个新的方法:基于网格不敏感的等效结构应力的主S-N曲线法,简称为“主S-N曲线法”,亦称之为等效结构应力法10 。该方法将沿着焊趾厚度方向呈现出高度的非线性应力分为两部分,第1部分应力只与外载荷相关且与外载荷相互
14、平衡,称之为结构应力、;第2 部分应力则是总应力减去第1部分应力而余下的应力,称之为非线性应力峰值或缺口应力,是自平衡的应力部分。焊趾处截面应力分布如图2 所示。结构应力焊缝非线性应力峰值P图2焊趾处截面应力分布从结构力学的角度分析,焊趾沿板厚方向的截面上与外载荷平衡的结构应力又可以分为膜应力与弯曲应力,两部分,描述了截面上应力状态中均匀分布的部分,描述的是应力状态中应力梯度为线性的部分,结构应力即膜应力与弯曲应力之和,反映了外载荷导致的应力集中,是裂纹扩展的驱动力,而且可节点线力,N/m;172023年12 月杨思源,等:基于主S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估以证明,当用有限元法计算结
15、构应力时,其对网格的尺寸大小不敏感12 O图2 中,在给定板厚以后,截面内均匀分布的膜应力可以按照式(1)计算:1C/2g,(y)dy=(1)mt-1/2t式中:t板厚,mm;(y)一一分布在轴方向的单位长度y方向线应力。截面内产生的弯曲应力可以按照式(2)计算:6Cu/26m0byo.(y)dy(2)-/2式中:m节点线矩,Nm;载荷在y轴方向距焊线距离,m。结构应力即为膜应力与弯曲应力之和,如式(3)所示:6m,0b(3)+mt线力与线矩是指焊线(为计算需要而自行定义的线,该线可以定义在焊缝里,也可以定义在热影响区,其中,焊趾是焊缝的薄弱处,通常将焊线定义在焊趾上)单位长度上的力与力矩。在
16、有限元计算时,单元边上的分布载荷要转化为节点力,而结构应力法采用节点力求线力和线矩时,是这个过程的反向过程,即将有限元计算出的节点力和力矩转化为线力和线矩结构应力法在基于两阶段裂纹扩展模式及断裂力学表达式的基础上积分获得了一个新的应力定义“等效结构应力”,其计算方法为:AS(4)*(2-m)/2 mS1/mt式中:S,-等效结构应力变化范围,MPa;结构应力变化范围,MPa;t*实际板厚与单位板厚之比;载荷弯曲比,r=,/g,;I(r)描述载荷模式效应的函数;m载荷模式指数,通常取3.6。而以等效结构应力变化范围S。为参数的主S-N曲线的焊缝疲劳寿命计算公式为:hN=(5)式中:N一循环次数;
17、Cd试验常数;一h一试验指数。可以看出,主S-N曲线方程与IW等标准中基于名义应力的S-N曲线方程形式上是一致的,但主S-N曲线方程中等效结构应力并不是针对某个具体的焊接接头而提出的,其将应力集中的结构应力、焊接接头的板厚度、外载荷引起的膜应力与弯曲应力进行了综合,因而对任何走向的焊缝都有效13 。由此可知,将此方法应用于含有焊接结构的装载机工作装置的疲劳寿命评估,可及时发现易萌生裂纹的焊接结构部位。2网格不敏感验证为验证等效结构应力法中结构应力对有限元模型网格不敏感的特性,取工作装置中带有典型环状角焊缝的连杆作为分析对象,其有限元模型如图3 a所示,连杆由销轴衬套与连杆主体焊接而成,定义4条
18、焊缝名称分别为T1,T2,T3与T4,如图3 b所示。焊缝连杆主体T3T1T4销轴衬套T2(a)连杆有限元模型(b)连杆焊缝定义图3连杆有限元模型及焊缝定义对其一端销轴孔施加固定约束,另一端销轴孔施加10 0 kN外力,分别在10,5,2.5 mm的网格尺寸下进行结构应力求解,由于连杆为轴对称结构,因此,以焊缝T2与连杆主体连接处的焊趾节点为例进行说明,其焊趾节点的结构应力在不同网格尺寸下的计算结果如图4所示。9网格尺寸10 mm8网格尺寸5 mm网格尺寸2.5 mm76543210.250.300.350.400.45距焊缝起始节点距离/m图4不同网格尺寸下焊趾节点结构应力18机计设械第40
19、 卷第12 期不同网格尺寸下焊缝焊趾线上最大结构应力求解结果的具体信息如表1所示表1焊趾最大结构应力对比网格尺寸/mm1052.5节点号90553.515135197结构应力/MPa7.809.867.824817.82210相对误差/%0.190.16由图4及表1可以看出,不同网格尺寸下的结构应力几乎相同,这充分证明了等效结构应力法在评估焊接结构时对网格数量不敏感的优势3工作装置模型的建立3.1工作装置几何模型的建立文中所研究的装载机型号为LW900K,额定载质量为9 t,属于大型装载机范畴,作业受载较为复杂,其试验样机如图5 所示。图5LW900K试验样机借鉴项目组采用动臂截面弯矩等效方法
20、和根据动臂横梁铰点载荷损伤一致确定LW900K型装载机工作装置疲劳试验姿态14,其中,工作装置当量外力方向与水平地面的夹角为6 5,铲斗底板与水平地面的夹角为3 3.4。为了在疲劳试验时便于载荷施加,将工作装置整体在动臂后端铰孔中心点处沿顺时针方向旋转2 5 使得载荷施加方向垂直于水平地面,经旋转后铲斗与水平地面夹角为5 8.4。旋转前与旋转后的工作装置如图6 所示外载荷外载荷900水平地面水平地面(a)旋转前(b)旋转后图6旋转前与旋转后的工作装置对所有零件进行建模并装配,得到装载机工作装置在台架试验姿态下的三维几何模型,三维几何模型及台架工装如图7 所示摇臂油缸杆摇臂铲斗摇臂连杆动臂机架油
21、缸杆(a)三维几何模型(b)台架工装图7工作装置几何模型及台架工装3.2工作装置有限元模型的建立采用HyperMesh构建工作装置有限元模型,如图8所示。由于液压缸轴向尺寸远大于径向尺寸,且均为二力构件,所以采用一维杆单元代替。各销轴孔之间的铰接关系采用刚性单元reb2模拟,并释放主节点在铰孔轴向的旋转自由度以更好地模拟各部件之间的连接关系焊缝单元reb2单元(a)整体有限元模型(b)动臂后铰孔局部图:工作装置试验姿态有限元模型模型网格具体信息如表2 所示表2工作装置有限元模型网格信息部件铲斗机架动臂摇臂连杆单元类型Solid45Solid45Solid95Solid95Solid95单元数1
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