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挖斗焊接结构不同载荷方式下受力有限元剖析

柳岸敏 1 刘国兴 2 马一鸣 2 徐杰 2 樊宇 2

摘 要采用UG三维外型软件树立了某型号发掘机挖斗焊接结构的三维几何模型，经过导入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中止有限元模仿计算与剖析。基于发掘机在发掘过程中不同斗齿参与受力时的多种工况条件，系统研讨了挖斗焊接结构不同工况条件下的应力和变外形况。研讨结果表明：支耳关键焊缝区域剩余应力较大，且耳板主焊缝上纵向剩余应力峰值位于各焊缝的弧焊段；五齿平均受力时，该型号挖斗满足静载设计请求；五齿错误称受力或偏载时会招致挖斗结构产生较大的应力与变形，并易招致挖斗发作早期损坏与失效；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，阐明该处是挖斗结构的单薄部位易发作损坏，这与该型号挖斗现场失效案例的反响结果分歧。本研讨为挖斗的结构设计与优化提供了重要的理论依据。

关键词挖斗；焊接结构；焊接应力；不同载荷工况；有限元剖析

0前言

液压发掘机是一种常用的工程机械配备，被普遍应用于矿山开采、物料铲装、河道疏浚及各类大型基础树立中 ［ 1-2 ］ 。挖斗作为发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，在工程应用中常发作结构损坏 ［ 3］ 。

从未来展开趋向来看，工程机械将朝着低能耗、高效率及短命命的方向展开 ［ 4］ 。随着发掘机需求量的快速增长，国内外学者不时应用先进技术及措施对其中止结构设计和优化。季鹏 ［ 5］ 等基于ANSYS剖析软件，模仿了发掘机铲斗的焊接过程，并预测了却构件的焊接剩余应力。张明松 ［ 6］ 等对挖斗在不同工况下的载荷中止了强度及刚度剖析，并依据结果对关键部位中止了优化。殷淑芳 ［ 7］ 等经过将载荷集中加载研讨了挖斗在极端应力下的应力响应。Hadi ［ 8］ 等计算了单独发掘的理论发掘力，并对梯形铲斗中止了却构剖析。

目前关于挖斗结构的剖析研讨较多，而关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讨。因而，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中止计算与剖析，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。

1有限元模型

1.1 树立挖斗关键焊接结构赂何模型

发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衔接挖斗与斗杆的重要部件。应用UG三维外型软件树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所示，图1a为整体挖斗和支耳组件结构赂何模型，图1b、1c分别为支耳关键焊接结构和部分焊缝几何模型。

图1挖斗及其关键焊接结构三维几何模型

Fig.13D model of bucket and its key welding structure

在力学剖析中，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呈现元素尺寸等参数的丧失，因而，需求应用布尔运算将原有对象中止计算后重新编码，以修复模型的部分缺失 ［ 9］ 。

1.2 网格划分

网格划分是有限元前处置工作中的一个关键环节，模型的网格质量直接影响剖析结果。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］ 。

依据模型的实践特征，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，增强板多为六面体网格，对直接遭到载荷作用的斗齿部位和焊缝区域中止细化处置，以进步计算精度，使求解结果愈加精确。划分后的网格模型如图2所示，其中共计739 189个节点和212 260个单元。

图2有限元网格模型

Fig.2Finite element mesh model

1.3 施加约束条件

结构静力学剖析中，施加约束的意义在于模仿结构件在真实环境中的状况，使添加的约束能够消弭结构件的刚体位移，同时模型的自由度和所处的真实环境分歧 ［ 11］ 。

经过剖析挖斗结构在实践作业过程中的真实物理环境，本研讨将约束施加在挖斗的铰轴处，即选择图3a中铰轴，施加固定约束；同时选择如图3b中的铰轴，施加液压油缸作用力，其值为271 kN。

图3施加约束表示

Fig.3Schematic diagram of constraint conditions

2挖斗支耳关键焊缝焊接过程剖析与讨论

挖斗支耳组件各部分经过焊缝衔接，共8条主焊缝，如图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对支耳焊接过程中止仿真模仿计算剖析。

图4挖斗支耳组件焊缝表示Fig. 4Weld diagram of bucket lug assembly

选用双椭球热源模型，该模型充沛表示了焊接过程中热源前端温度变更快然后端温度变更慢的特性，能有效表征电弧焊的熔池形貌。以支耳主焊缝5为例，模仿计算得到的焊缝5焊接完成时辰的温度散布云图如图5所示，为与实践焊丝的填充过程更为吻合，计算过程中经过采用生死单元技术来模仿实践焊缝的填丝过程。随着焊接过程的中止（见图5a），在热传导和对流作用下，焊接输入的热量向熔池周围扩散，因而熔池中心温度最高，而远离熔池中心的区域温度逐步降低。图5b为一切焊缝焊接完成后模型冷却到400 s时的温度散布云图，由于焊接的先后次第，在焊缝区向母材区的热传送以及模型向周围环境散热的影响下，支耳整体温度散布并不平均，且在最后一道焊缝的收弧位置温度最高，这与实践焊接过程相符。

图5焊接不同时辰的温度场散布云图

Fig.5Nephogram of temperature field distribution at different times of welding

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中止对比，经过不时调整热源模型参数，最终得到与实践匹配的熔池形貌，如图6所示。能够看出，熔池和热影响区大小与实践焊接接头吻合良好，进而考证了本研讨所树立的热源模型是合理的，且具有较高精度。

图6模仿熔池与实践焊接接头对比Fig.6Comparison between simulated weld pool and actual welded joint

图7为焊后冷却至室温后的纵向剩余应力散布云图，图8为沿着焊缝方向（以支耳主焊缝5为例，其他主焊缝的结果相似，这里不再逐一给出）的剩余应力散布曲线。由图7可知，焊缝及左近热影响区域的剩余应力普遍较大，且4条主焊缝（焊缝5~8）上纵向剩余应力的峰值均位于焊缝的弧焊段处，分离实践焊接结构现场反响的失效案例可知，该位置损坏较为频繁。可见，支耳焊接过程中产生的较大剩余应力也是构成其易发作早期失效的重要缘由。

图7纵向剩余应力散布云图Fig.7Cloud image of longitudinal residual stress distribution

图8焊缝5上的剩余应力散布曲线Fig.8Residual stress distribution curve on weld 5

3挖斗焊接结构受力有限元剖析结果与讨论

3.1 齿端不同载荷方式下受力剖析

由于发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。在发掘机的实践工作中，挖斗上各个斗齿的受力工况也是随机的，很多时分载荷可能集中在其中几个斗齿以至单独某一个斗齿上。针对这种状况，研讨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状况如图9所示，在此分别思索：五齿端平均受力（理想工况）；单齿受力（极端工况），包含左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，包含左1、2齿在内的10种不同受力方式；三齿受力，包含左1、2、3齿等4种受力方式；四齿受力时，包含3种受力方式。

图9齿端受力表示Fig.9Schematic diagram of tooth end force

挖斗在五齿平均受力方式下的等效应力与位移云图如图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。

图10五齿平均受力时应力和变形云图

Fig.10Stress and deformation nephogram of five teeth under uniform stress

挖斗的强度校核条件为：

式中　 σ lim 为资料屈从应力（单位：MPa），斗齿的屈从应力为910 MPa； σ ca max 为计算得到的挖斗最大应力（单位：MPa）；［ S ］为资料保险系数。

由强度校核条件可知，五齿平均受力时斗齿上的保险系数可达2.59。依照机械设计中塑性资料的设计准绳，普通保险系数取1.2~2.5，另据起重机械轮轴类设计准绳，保险系数普通取1.4~1.6，可见，该型号挖斗结构的保险系数满足静载设计请求。

对挖斗单齿参与受力时的5种极端工况中止受力剖析，结果如表1所示。据上文剖析，取保险系数为1.4，那么斗齿上的许用应力值为650 MPa。从表1能够看出，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，且一切工况下挖斗的最大应力都超越了许用应力。而在左1或右1齿单独受力时，挖斗的变外形况最为严重。

表1 单齿受力有限元剖析结果Table 1 FEA results of single tooth stress

挖斗两齿受力时10种工况下的受力剖析结果表明，当受力相对对称散布时斗齿上的最大应力相对较小；而当受力集中倾向某一侧时，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齿对称散布时，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）时大幅降落；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。

综上剖析可知，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，阐明该处是结构的单薄部位易发作损坏，该结果与挖斗实践工作时现场发作失效的反响结果分歧，同时与文献［ 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倾向某一侧时，斗齿上的最大应力急剧增大。因而，在挖斗结构设计时，能够思索经过采用新型资料或增加资料的用量等部分强化伎俩来进步边齿区域的结构强度；而关于受力相对较小的部位如侧板和底板等，则能够恰当降低资料等级或适量减薄板厚，在保障挖斗满足运用强度的同时最大限度地节约制造成本。

3.2 齿端面不同压力下的受力剖析

为了便于比较剖析挖斗在不同大小载荷作用下的结构应力及变外形况，经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散布状况中止比较，讨论其应力散布规律及在实践发掘过程中压力大小对挖斗结构的影响，结果如图11、图12所示。

图11齿端不同压力下挖斗的受力剖析Fig.11Stress analysis of bucket under different pressure of tooth end

剖析图11、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十分小。随着压力的增大，不同工况下的差别明显增加。

图12齿端不同压力下挖斗的变形剖析Fig.12Deformation analysis of bucket under different pressure of tooth end

此外，当压力越集中于少数斗齿或斗齿受力越错误称时，挖斗的应力及变形增长速率会越大，且明显高于五齿平均受力状况，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他工况。

综上结果表明，挖斗最大变形量与等效应力的散布与挖斗实践作业过程中的工况有关，本模型计算结果与实践失效案例的反响结果相吻合 ［ 13］ ，表明本研讨中力学模型及有限元计算结果合理牢靠。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，易招致受力单薄区发作早期失效与断裂，因而，在发掘机作业时应特别留意避免偏载对结构构成的影响。

4结论

本文树立了发掘机挖斗焊接结构的三维有限元模型，系统研讨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）支耳关键焊缝区域剩余应力普遍较大，且耳板主焊缝上纵向剩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请求，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，阐明该处是挖斗结构的单薄部位易发作损坏，这与该型号挖斗现场失效案例的反响结果分歧。

（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，易招致受力单薄区发作早期失效与断裂。

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Finite Element Analysis of Welded Excavator Bucket under Different Loading Modes

LIU Anmin 1 LIU Guoxing 2 MA Yiming 2 XU Jie 2 FAN Yu 2

Abstract: 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.

Keywords: bucket；welded structure；welding stress；different working conditions；finite element analysis (FEA)

援用本文：柳岸敏，刘国兴，马一鸣，等.挖斗焊接结构不同载荷方式下受力有限元剖析［J］.电焊机，2022，52（8）：50-56. (LIU Anmin, LIU Guoxing, MA Yiming, et al.Finite Element Analysis of Welded Excavator Bucket under Different Loading Modes[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(8): 50-56.)

作者简介：柳岸敏（1981—），女，博士，高级工程师，主要从事激光应用技术的研讨。

通讯作者：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、疲倦、管线钢完好性评价和有限元数值模仿等方面的研讨。E-mail：j.xu@cumt.edu.cn。

中图分类号：TU621

文献标识码：A

本文编辑：唐凰

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