（机械设计及理论专业论文）推耙机h型架焊接结构强度分析及测试.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 推耙机工作环境恶劣 工况复杂 受往复 冲击 侧向等多种载荷 诸多原 因对推耙机强度 寿命 安全性和可靠性有重要影响 我国推耙机生产制造起点 较低 多为参考国外同类产品设计 实际工作时产品各方面性能不太稳定 工作 装置中h 型架常出现焊缝提前断裂失效等问题 严重影响工作效率及推耙机行 业发展 本文以山推公司产品为例 主要针对工作时出现问题的h 型架 采用 传统设计法及目前最先进的热点应力法深入研究 针对工作中容易失效结构提出 几种改进方案 以期提高其使用寿命 全文共分七章 第一章阐明课题研究背景及意义 系统阐述国内外在疲劳强 度领域的研究工作 说明热点应力法应用现状 确定本文的主要研究对象及内容 第二章对焊接结构疲劳评定方法进行论述 介绍有限元在疲劳分析中的应用 详 细介绍焊缝的热点应力评定法 第三章对推耙机h 型架三维建模 建立有限元 分析模型 第四章对各种工况详细分析 第五章针对实际工作中易断裂位置 考 虑侧向力作用 对其定性分析分析强度影响因素 并找出最大影响因素 提出改 进方案 第六章对h 型架实地测试 分析测试结果 第七章结尾 对整篇文章 进行了总结 并提出下一步研究工作的展望 关键词 推耙机h 型架有限元技术热点应力法测试 i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m p l l s 岫狃dr a k e 嫩c l i i l ew o r k i i l gi n 嫩l c o n d i t i o n e i l d et 0a j t e m a t i o n 1 0 a d e x c e s s i v e1 0 a d m e c l l a n j c a ls h o c k 锄dl a t e r a li o a d t h a t sa 彘c ts t r 哪h l i f e r e l ia b i l i t ya n ds e c u r i t y a sd o m e s t i cm a n u 伍c t u 血g 砌u s t 巧o f e l e c t r i c yt o o l ss t a r t e d l a t e t h es t a r t i l l gp o 硫i sl o w 锄dt l l ed e s 远nm e t h o di sb a c i 叫a r d 灿d o m e s t i c 麟m u f a c t u 血gi i l d u s 町o fp u s h 明dr a k er n a c h i i l es t a n i l l gp o i n ti s l o wm a j l yr e 诧rt 0o v e r s e a sp r o d u c td e s 远n i n g t h eh 觑衄ea n d v o r k i i l ge q u i p m e n t w e l d i i 玛s o m e t i i i l e s 丘a c t l l r e a l l di r a l i d a t i o l l1 kt l l e s i s s t u d yt h ep r o d u c to fa c o m p a n y a i ma th 仔锄e 眦d o f 虹n ge q u i p m e n t l l s i i l gt r a d i t i o m ld e s i g n i i 毽m e t h o d 锄dh o ts p o ts 缸 e s s 涨dr e s e a r c ha n dp u tf o m a r ds o m ei m p r o v e m e mp 协1 st o a d v m c el i f c t 1 1 i st h e s i si 1 1 c l u d e ss e v e nc h a m e r s c l l a p t e ro n ep r e s e n t st l l er e s e a r c h b a c k 伊o m l d 觚ds i g i l i f i c 髓c eo fn l et o p i c 锄ds u i n su pt l l er e s e 缸c hw o r kd b o mt h e f a t 咖ea td o m e s t i ca i l da b r o a d e 中l a i n i i 培锄dn l ew o r ko f h o ts p o ts 仃e s sm e t h o d a t t h ee n di tm a k e st h em i nr e s e a r c hc o m e mo ft l l i st h e s i s c h a p t e rt w od i s c u s 驼st h e w e l d i i l gs t m c t u r ef a t i g u ed e s 培n 锄di i l 仃o d u c ef e ml l s i i l g 洫f a t 远 l l ea n a l y s i s c h a p t e r t 1 1 r e eb u i l d s 缸e 伊时3 一d 觚df e mm o d e lo f h 丘锄e c h a p t e rf o l l r 锄1 y s i sa l lw o r k c o n d i t i o n c h a p t e rf e l l s i r 培s 曲p l e n e s sm o d e ld i s c l l s s e ss t r e n 殍hi n n u e n c i i l gf l a c t o r f i r l d i i l gt h em o s ti m p o 舳t 砌u e n c i i l gf a c t o r 趾dp u tf o r w a r ds o m ei i l l p r o v e m e n t p l a n st 0a d v a n c el 硫 c h a p t e rs i t e s th 矗 a l n ea n da m l y s i st h et e s tr e s u h c h 印t e r v e nm a k e st h ec o n c l u s i o na n dg i v e sr e s e a r c hw o r ko f t h e 北 ts t 印 k e yw o r d s p u s h i l l ga n dr a k e 眦1 1 i i l e h 仔锄e 血i t ee l e m e n t 龇d h o ts p o t s t r e s s t e s t h i 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完稿之际 首先向我的导师李玉良副教授表示感谢 在我攻读硕士 学位期间 导师在科研 学习等多方面给予了我悉心的指导和帮助 尤其是导师 在国外期间 虽然只能通过电子邮件汇报研究情况无法面对面交流 但李老师经 常会督促 指导我 这篇论文是在导师的精心指导下完成的 李老师科学的研究 方法 严谨的治学态度让我受益匪浅 在此谨以最诚挚的祝福祝李老师及其家人 身体健康 幸福美满 同时感谢课题组冯培思教授 邱清盈副教授 武建伟老师 管成老师和高字 老师等在这两年多来对我的无私帮助和热心指点 从他们身上学到了许多宝贵的 知识和方法 感谢课题组庄菲菲 薛驰 陆银 李荣鹏 邓坤 李小龙等同学的关心帮助 最后感谢所有关心帮助我的亲人和朋友 向你们致以我最诚挚的谢意和祝 福 马祥 2 0 1 2 年2 月5 日 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 近年来 随着我国港口原煤 矿物等散货吞吐量大幅度增长 平仓和清仓作 业量随之增加 目前港口各装卸公司所使用的平仓机械多为国外引进的各种推耙 机 如小松和卡特彼勒系列 推耙机多用于船舶平仓和清仓作业 其作业对象不 稳定 条件恶劣 载荷变化较大 作业工序反复循环且操作频繁 并且由于船舱 作业空间狭小 推耙机工作装置在工作过程中经常与船舱发生碰撞 工作条件十 分恶劣 推耙机具体工况可分为三种 工况包括 1 正常载荷下工作 载荷在铲刀上均匀分布 h 型架两根纵梁受力均衡 2 载荷集中在一端处 即偏载工况 此时h 型架一端纵梁受力较大 另一 根受力较小 当作业对象为矿石时此种工况较常见 3 冲击载荷工况 工作时推耙机经常与船舱或者块状作业对象发生碰撞 此时产生远大于正常载荷的冲击载荷 山推公司针对市场需求 开发出多种推耙机产品 满足了各个港口和各个型 号船舶平仓清仓工作的需要 该推耙机工作装置包括推耙铲刀 h 型架 铲刀升 降机构 铲刀推耙机构 如图1 1 所示 图1 1 推耙机工作装置结构 浙江大学硕士学位论文 绪论 其中 铲刀和h 型架主要由板结构焊接而成 焊接连接有较多优点 主要是 结构简单 操作方便 技术门槛低 易于实现 且较容易做设计变更 但是焊接 结构必须保证焊接质量 否则容易出现焊缝断裂等失效情况 本文研究对象为山推公司生产某种型号推耙机 由于工作状况十分恶劣 出 现较多问题 较为严重的是焊缝提前断裂 断裂位置如图1 2 示 图1 2h 型架焊缝失效位置 针对如上图所示推耙机h 型架 应该从多种角度分析研究引起其断裂的原 因 包括正常工作下应力 受偏载工况下应力 受侧向力下应力 受冲击载荷下 应力 分析何种工况对其影响最大 目前厂家已经对正常工况下h 型架受力及强度作详细分析 确认该种工况 下结构较为安全 因此本文对该种工况不作讨论 侧向力大小厂家未能提供 因 此本文在有限元计算时用一适当大小的力代入计算 定性估计侧向载荷对h 型 架强度影响 冲击载荷大小厂家也未能提供 实际测试也难以测量冲击力准确数 值 因此有限元计算中不考虑冲击因素 实际测试过程中有冲击载荷作用 测试 的结果图中可看出冲击载荷对应力峰值影响 冲击时 油压可测量出 根据油压 可计算出油缸输出力 从而求得h 型架铰接点作用力 本文根据这些力对h 型 架做有限元分析 将分析结果与测试结果做比较 偏载工况下厂家提供各工况受力 本文重点任务即研究偏载各工况下h 型 架应力分布 分析应力对h 型架强度影响 综上 本文主要研究偏载工况下h 型架应力分布 对实际工作时h 型架应 力现场测试 综合有限元计算和测试结果分析h 型架焊缝断裂的最大影响因素 浙江大学硕士学位论文 绪论 对厂家改进设计及新产品设计有一定指导意义 1 2 国内外研究概况 国内外目前均无针对推耙机结构方面的专门研究 考虑本文研究对象为h 型架 其结构为钢板焊接而成 与港口机械 船舶机械以及铁道车辆上多种零部 件结构和工艺相似 这些零部件的研究方法也可在推耙机h 型架上应用 目前国内外对焊接结构研究较少 尤其是焊缝强度研究方面 南京理工大学 李金泉 杨化仁 罗来科等人在文献 l 对高强度钢在承受疲劳载荷时焊缝裂纹 萌生与扩展做了研究 认为疲劳裂纹的萌生和扩展与金属微观组织中的铁素体 共析组织与魏氏组织有关 大多数疲劳裂纹萌生于铁素体内 少量与焊口处的夹 渣 晶界 缺陷有关 疲劳断裂机理比普通韧性和脆性断裂复杂 疲劳断裂的不 同阶段 具有不同的断口形貌 它表明在疲劳断裂的各个阶段 其断裂机制是变 化的 热影响区断口 在疲劳核心区为解理断裂 对于焊缝断口 则为准解理断 裂 在疲劳裂纹扩展区 两种断口试样均属准解理断裂 西南交通大学周张义 李芾等人在文献 2 中研究了焊接残余应力对钢结构 疲劳性能影响 详细解析了残余应力原理及分布 并对各个标准关于残余应力对 焊接疲劳寿命的影响进行综述 芬兰拉普兰塔技术大学的t n y k 锄e n g m a r q u i s t b j o r k 等人在文献 3 中指 出 焊缝所有几何参数中 焊趾半径对疲劳寿命影响最大 并建立一个与几何参 数相关的疲劳强度方程 将疲劳强度与焊趾半径等重要参数联系起来 用以焊接 结构常规设计评估 意大利的c c 撇v o k c p a p p a l e 仉e r e 等人在文献 4 中指出 基于疲劳设计的 焊接结构有两个矛盾的重要控制因素 即结构安全和重量最小 在保证结构安全 的前提下使重量最小 探讨了理论近似 数值模拟与实验观察之间关系 指出由 于焊接结构复杂性 任何理论 数值模拟都基于一定的假设和简化 简化时可以 忽略一些不重要的结构影响因素 意大利p a d o v a 大学机械工程学部b m n 0a t z o 吐p a o l ol a z z a r i i l g i o v a n l l i m e n e 曲e t t i 等人在文献 5 讨论几种 局部 近似法分析焊接接头疲劳强度 这几 种局部近似法根据焊趾附近应力和应变状态的数值分析或者应变大小来对焊缝 浙江大学硕士学位论文 绪论 强度近似计算 其中 缺口应力强度集中因子近似法适用于有圆角的焊接接头 缺口应力强度集中因子法是线弹性断裂力学在v 型缺口方面研究的延伸 文献 将上述两种方法作区分 缺口应力强度因子集中法被称为半局部近似法 后者称 之为局部近似法 1 2 1 机械结构疲劳 材料受到交变载荷作用 会产生宏观及微观的塑性变形 继而降低材料继续 承载能力并引起裂纹 即裂纹的萌生 载荷继续作用 裂纹进一步扩展 此为裂 纹扩展阶段 这一阶段扩展过程较为缓慢 裂纹尺寸到一个临界值后 扩展速度 迅速加快 瞬间结构产生断裂 这一过程称为疲劳 简言之 疲劳是裂纹萌生 稳定扩展和迅速扩展至断裂的过程 以应力循环次数计算 裂纹稳定扩展阶段为 总寿命主要组成部分 据统计 金属结构失效9 0 以上由疲劳造成 6 7 因此 机械结构在设计时必须考虑疲劳因素 结构疲劳强度研究 传统方法是名义应力法 该种方法发展历史悠久 将试 验和统计方法结合在一起 形成多种标准指导实际生产 英国 美国 中国等多 个国家均根据名义应力法制定了设计标准 8 埘 用以规范和指导焊接结构设计 如中国的g b5 0 0 1 7 2 0 0 3 钢结构设计规范 英国的b s 7 6 0 8 1 9 9 3 钢结构 疲劳设计与评估 a w sd 1 1 2 0 0 4w e l d i n gc o d e 焊接结构设计规范 国际焊 接学会 i i w 的x i i i 一1 5 3 9 9 6 x v 一8 4 5 9 6 焊接接头与构件疲劳设计标准 德国标准较为详细 不同的机械部门有各自的标准 如d s 8 0 4 标准中规定的 疲劳强度评定法适用于焊接铁路钢桥 d i n l 8 8 0 8 适用于承受疲劳载荷的管接头 d i n l 5 0 1 8 起重机标准 和d i n 4 13 2 起重机轨道标准 分别适用于起重机械和 起重机轨道 此外 压力容器 轨道车辆 远洋船舶和钻井平台均有各自独立的 标准 6 7 1 1 1 名义应力法不考虑焊接接头本身引起的应力集中 但接头周围几何形状不连 续导致的应力集中需要考虑 如孔的影响 截面突变及退刀槽等工艺形状影响 2 2 1 基于名义应力 法的制定的标准 其设计方法和疲劳曲线等数据在工程机械 汽车和机车车辆等多个领域得到广泛的应用 根据名义应力法制定的标准 取得很多较为成功的设计 铁道部科学研究院 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 张玉玲 潘际炎 2 3 1 等人在芜湖长江大桥设计中 针对芜湖桥特点 利用疲劳设 计法设计 取得良好效果 哈尔滨工业大学荆建平 武新华 夏松波 冯国泰阱 对冷启动工况下汽轮机转子疲劳损伤进行分析 为汽轮机现场运行制定安全 经 济的启动过程提供理论依据 1 2 2 有限元在疲劳分析中的应用 随着电子计算机技术和计算科学的飞速发展 有限元分析技术得到长足进 步 近年来 有限元技术在汽车设计 航空航天 机械装备设计 海洋作业平台 设计中得到广泛的应用并取得良好的效果 极大的缩短设计周期 提高了设计效 率并降低设计制造成本 有限元计算在焊接结构疲劳分析中得到广泛应用 北京交通大学谢基龙 周 素霞 2 5 1 等人对车轮疲劳强度进行分析 预测出机械载荷与制动热负荷组合作用 下辐板孔裂纹的形成寿命 判断出导致辐板孔边裂纹形成的载荷因素是机械载荷 与坡道制动的综合作用 浙江大学彭禹 郝志勇 3 0 对发动机曲轴应用有限元方 法研究 预测在承受多轴载荷时疲劳寿命 1 2 3 热点应力法 在工程实际中 名义应力法广泛应用 根据名义应力法制定的设计标准也得 到成功应用 但是 随着焊接结构日益复杂化 名义应力法及根据其制定的设计 标准逐渐显示出不足 目前 使用名义应力法对焊接结构进行焊缝疲劳强度分析 存在以下困难 2 6 2 7 1 1 焊缝结构常常很不规则 名义应力无法准确定义 因此 无法参照标 准中s n 曲线计算疲劳寿命 2 设计标准中规定的焊接接头形式较为有限 而实际结构焊接接头形式 根据具体情况不同 种类繁多 3 设计标准中规定的加载方式有限 随着汽车工业与高速铁路工业的快 速发展 材料受载形式日益复杂 同时 机械零部件结构设计日趋复杂 现有规 范不能完全描述复杂机械结构在各种工况下受力情况 6 4 标准中规定的材料有限 汽车工业与高速铁路工业中 对新材料新工 浙江大学硕士学位论文 绪论 艺提出更高的要求 在这些行业中 新材料不断得到应用 现有标准无法及时更 新 基于上述原因 2 0 世纪7 0 年代起 随着有限元技术的提出及在机械 船舶 航天产品结构分析中的成熟应用 针对焊缝焊趾疲劳强度的分析方法一一热点应 力法被提出 热点应力法是焊接领域最近较为热门的研究课题 随着有限元技术在结构应 力分析中的成熟应用 热点应力法得到迅速发展 热点 指的是最大结构应力 处循环载荷的局部热效应n o 2 8 2 9 1 该种方法最早应用于海洋结构焊接管接头上 2 9 3 0 3 1 1 上世纪9 0 年代 热点 应力法研究逐渐推广到压力容器 车辆等领域 用于板件焊接结构焊趾处强度分 析 如船舶 海上浮式生产储存卸货装置 f p s o 轨道车辆及汽车等 1 7 1 近年来 国内外许多船级社及研究机构均投入大量人力物力研究热点应力法 应用 其中较为典型的是挪威船级社组织了一个联合工业项目来研究浮式生产系 统结构的疲劳寿命 6 上海交通大学王甲畏 王德禹参与此项目阶段性研究 先用有限元分析手段计算出结构应力 再用热点应力法推导结构的疲劳寿命 并 与全尺度疲劳试验结果对比 两者得到较好的符合 由此 热点应力法在板焊接 结构中得到良好运用 8 西南交通大学王忠 张开林 魏朔针对某型机车焊接构架的垂向减振器座 1 4 基于有限元方法 利用f e 一缸咖e 软件进行疲劳预测 再利用热点应力法 对减振器座焊缝疲劳强度进行研究 并对母材不同板厚情况下疲劳强度作对比分 析 得出焊缝寿命明显低于结构其他部位的结论 这与实际运行中疲劳裂纹最早 出现于焊缝处现象一致 天津大学贾法勇 2 6 等人研究了热点应力法主要影响因素 并用热点应力法 分析双相不锈钢焊接接头疲劳强度 对热点应力的4 个公式分别采用粗细两种单 元网格划分 并使用不同单元分析对结果对比 结论认为 有限元网格尺寸对热 点应力计算有一定影响 外推方法对热点应力影响不明显 一般焊接接头可采用 国际焊接学会推荐的两点外推法 国外许多研究者对焊接结构采用有限元法进行热点应力分析 并进行大量疲 劳试验 较为典型的是c i d e c t 欧洲空心焊接钢管结构委员会 的空心焊接钢 6 浙江大学硕士学位论文绪论 管疲劳设计指南 3 5 1 该指南中推荐用有限元法分析热点应力确定最可能发生疲 劳破坏的区域及该区域的应力幅 用应力集中系数简历名义应力与热点应力直接 关系 进行疲劳设计 t p a n e n e n 和e n e i l l l i 用热点应力法整理芬兰拉普兰塔技术大学在1 9 8 0 年和 1 9 9 3 年进行的c m n 不锈钢弧形焊接构建节点疲劳试验结果 根据测试的热点 应变 发现1 0 0 个c m n 不锈钢焊接节点和8 0 个不锈钢焊接节点疲劳极限相同 据此结果 认为不同等级焊接节点可采用以热点应力法表述的s n 曲线进行疲 劳设计 3 钓引 g s a v a i d i s m v b 眦w a l d 3 9 1 采用热点应力法对汽车底盘焊接节点分析 确定 了疲劳危险位置和相应的热点应力幅 基于热点应力幅的构建疲劳寿命与疲劳试 验得到结果一致 本文结合国际通用的热点应力法 对h 型架焊缝强度进行研究 以有限单 元法为基础 结合热点应力法 研究工程机械结构件焊接疲劳强度 首次将热点 应力法引入到工程机械中 并结合正交试验分析结构应力最大影响因素 从而有 效提高结构强度与寿命 1 3 本论文主要内容 本文主要研究推耙机h 型架焊接位置强度及影响强度主要因素 并提出改 进方案 以山推公司生产s b l 3 型推耙机为原型 根据厂家提供零部件图纸 利 用c a t i a 软件建立工作装置详细三维模型 利用a n s y s 软件分析计算结构应力 提取出实际工作中出现断裂处焊缝应力大小 针对薄弱环节 对模型进行简化后 利用h y p e 册1 e s h 分析简化模型强度 根据正交试验法找出对应力影响最大的因 素 简化模型形状较规则 h y p 黜s h 对其划分六面体网格较为方便 对于详细 模型 结构较大且形状不规则 无法有效划分六面体网格 用心y s 对其划分四 面体网格 有限元计算之后 到工作现场 利用电阻应变测量法对推耙机薄弱位置应力 值 与有限元计算结果比较 分析造成断裂的主要原因 最后对全文进行了总结 并展望下一步的研究方向 浙江大学硕士学位论文关键技术简介 2 关键技术简介 疲劳是机械零件在交变载荷作用下从形成裂纹到失效的过程 疲劳是机械结 构件最常见的失效形式 典型的疲劳失效断裂表面可分为三个区域 疲劳核心区 疲劳裂纹扩展区和瞬时破坏区 分别对应疲劳寿命三个阶段 第一阶段为裂纹的 萌生 第二阶段裂纹的扩展 第三阶段为最后断裂阶段 焊接结构疲劳寿命主要 由以上三个阶段组成 17 1 疲劳寿命疲劳的评定方法经过多年发展 到目前已形成多种较为成熟的理 论 最常用的是名义应力评定方法 该方法在工程机械 汽车和机车车辆等多领 域得到广泛应用 但是随着机械结构日趋复杂 名义应力法显出局限性 于是 缺口应力评定法 断裂力学评定法及热点应力法得到发展和应用 目前国际上采 用的热点应力法是解决复杂机械结构焊接强度问题的有效方法和工具 该种方法 简便易行 已经在船舶及海洋机械中得到良好应用 7 1 2 1 焊接接头疲劳评定方法 2 1 1 名义应力法 名义应力评定法应用最广 是一种最基本方法 名义应力以材料力学为基础 用简单公式在构件截面上计算出的平均应力 不同截面平均应力不同 该方法不 包括接头处形状突变及焊缝形状产生的应力集中 名义应力法基本形式如下 2 川 式中 吒为名义应力 仃彤为许用名义应力 为持久许用应力 o n od e r 仃 垒v p e r s 浙江大学硕士学位论文 关键技术简介 s 为安全系数 国际焊接学会 1 1 w 最新标准吲规定了结构钢名义应力疲劳强度 对钢结 构提供1 4 条s n 曲线进行疲劳统计 如图2 1 示 图中1 4 条s n 曲线斜率均为 m 3 图2 1 钢结构疲劳强度s n 曲线 名义应力评定法原理简单 使用方便 在生产实践中得到广泛应用 但随着 机械工业迅速发展 新结构新材料以及新工艺的广泛应用 名义应力法显示出一 定的局限性 其主要局限在于 1 新结构日益增多 许多结构焊缝实际结构非常不规则 结构中名义应 力无法准确定义 2 机械结构日益复杂 焊接接头形式越来越多 设计标准中规定焊接接 头形式较为有限 无法满足要求 3 设计标准中规定的加载方式有限 4 标准中规定的材料有限 随着汽车工业与高速铁路工业的快速发展 对新材料新工艺提出更高的要求 现有标准无法及时更新 2 1 2 热点应力法 名义应力评定法在实际应用中有诸多不足 分析形状复杂的焊接接头结果分 散性很大 无法给出材料s n 曲线 而用热点应力法分析得出结果分散性明显 减小 因此可以给出s n 曲线 图2 2 和2 3 将两种方法作对比 7 可看出热点 应力法分析得出结果分散性明显小于名义应力法 9 浙江大学硕士学位论文关键技术简介 一 叟 墨 撼 太 翅 壤 图2 2 名义 标称 应力评定钢梁元件结果 图2 3 热点应力评定钢梁元件结果 热点应力法发展过程中 多位学者作出贡献 w o t h 最早对焊接结构热点应力做出系统测定h 2 1 e h a j b a c h 奠定了定量 分析的可靠性基础 4 3 1 a l m a r n a e s s 博士在研究海洋结构管接头时发现 管板的 局部弯曲部位结构应力会迅速上升 在这种情况下 热点应力法被推广到海洋结 构管接头上 1 9 9 0 年不伦瑞克工业大学的d 1 u d a j 博士将热点应力法推广到板焊 接结构上 热点应力法借助有限元分析手段或测量焊接结构上不同位置处应力推导出 焊缝应力 目前 实际应用中对测量点有不同意见 不同的部门制定出不同的规 范 对测量点认定有不同意见 如挪威船级社 d n v 与国际焊接学会 i i w 推荐测量点稍有差异 但两个标准中测量点的差异并不大 考虑到挪威船级社研 究对象以海洋工作平台为主 而国际焊接学会研究对象更为广泛 本文采用国际 焊接学会推荐方法 热点应力发展初期主要通过测试 随着有限元技术发展 目前多采用有限元 1 0 浙江大学硕士学位论文关键技术简介 计算 热点应力评定遵循以下要点 2 7 6 5 1 1 去应力峰值 在不能准确了解作用于结构上实际载荷情况下 分别降 低基础载荷 轴向载荷 弯曲 扭转 内压 作用下结构应力峰值是一种增加结 构疲劳强度的有效方法 w o t l l 先采用这种方法 2 新设计产品与原设计结构应力比较 新设计产品的最大结构应力不超 过实际应用中可靠的原设计最大结构应力 3 评定结构应力 最大结构应力必须小于能引起可见裂纹的结构应力 后者由焊接结构疲劳试验得出 2 1 3 缺口应力法 缺口应力 应变 是焊趾处或切口处峰值应力 这种方法是在名义应力法和 结构应力法基础上发展起来的 根据局部缺口应力 应变 而非整体名义应力作 为判定结构强度依据 名义应力法和热点应力法未考虑焊接结构本身存在初始裂 纹 缺口应力法考虑到这一点 由于缺口处缺口较小 应力集中现象较为明显 因此缺口应力 应变 是影响焊接结构疲劳强度主要因素 缺口应力评定法更接 近于实际情况 与上述两种方法相比 缺口应力法需具备以下条件 l 利用数值计算方法或者试验测试手段得出缺口处应力 2 计算材料在收到变幅工作载荷作用时累积损伤 3 计算或测定缺口处焊接残余应力 工作量大且试验设备要求较高 诸多限制条件使得该方法暂时未能得到广泛 应用 直至目前 国际焊接学会 1 1 w 只提供一条结构钢焊接接头缺口应力疲 劳强度曲线 6 5 2 1 4 断裂力学评定法 一般认为 构件中可探测到裂纹状缺陷 可用断裂力学方法评定缺陷行为 断裂力学评定法用裂纹尖端应力强度因子或相应应变能释放率等能量参数计算 焊接结构裂纹和缺陷 断裂力学评定法主要研究裂纹的扩展过程 裂纹随着循环次数增加稳定扩展 浙江大学硕士学位论文关键技术简介 到最后发生断裂时的临界尺寸 可根据裂纹尖端应力强度因子幅值确定 p 盯i s e r d 0 9 0 n 提出著名的p a r i s 经验公式 1 8 描述裂纹扩展规律 黑 c k m k 咖 恐 3 试验结果分析 根据以上正交试验分析 e 比 大1 4 0 2 3 凡比心大3 3 4 8 3 对应力 4 5 浙江大学硕士学位论文h 型架结构改进分析 影响最大的因素为因子a 即横梁板厚 且其对h 型架强度影响远大于其它两 个因子 因子c 纵梁跨度对应力影响第二大 即h 型架强度影响第二大 因子 b 横梁板宽对应力影响最小 即对h 型架强度影响最低 因此 提高h 型架强度最有效方法是增加h 型架横梁板厚t 其次为减小纵 梁跨度h 综合考虑推耙机结构 减小纵梁跨度h 虽然可以一定程度上减小应力 提高 h 型架强度 但会导致铲刀作业面积减小 从而降低推耙机作业效率 增加h 型架横梁板厚t 做法一方面可以大幅降低应力值 提高h 型架强度 另一方面不 会导致作业效率降低 第三方面对制造工艺并无较大影响 因此是一种较为合理 且可行的方法 5 4 侧向力影响分析 5 4 1 侧向力产生及对h 型架影响评估 推耙机作业对象为散料 正常工作时侧向力作用不大 基本可以忽略不计 厂家在设计时也未考虑侧向力作用 但实际工作时由于作业空间和作业方式影 响 推耙机经常和船舱发生碰撞 当碰撞发生在推耙机转弯时 侧向碰撞力甚至 大于正向作用力 因此 侧向碰撞力可能是造成焊缝以及h 型架断裂的重要原 因 试验中侧向力的产生大多数是在碰撞时 难以测量 因此厂家未能提供侧向 力数据 本节对h 型架加上一个恒定载荷 定性分析h 型架在正常载荷和此侧 向载荷共同作用下应力分布情况 重点观察焊缝处和容易断裂处应力变化情况 并从局部上对h 型架结构重新设计 提出降低侧向力影响的方案 从理论上指 导设计和生产 5 4 2 侧向力对h 型架影响有限元分析 对模型在端部施加侧向力 同时将其他力全部加载到模型上 受力如图5 3 浙江大学硕士学位论文 h 型架结构改进分析 图5 3 侧向力作用下h 型架受力图 对侧向力主要分析其对h 型架影响 选择一种工况即可 本文选第一位置 推工况 考虑侧向力作用 应力分布如图5 4 示意 图5 4 侧向力作用下应力分布 图5 5 为未考虑侧向力时h 型架应力分布图 4 7 浙江大学硕士学位论文 h 型架结构改进分析 之 图5 5 第一位置推工况应力云图 与图5 5 结果对比 1 h 型架焊缝处结构应力最大值从4 2 1 1 7 m p a 增大到5 5 0 0 5 m p a 增大 3 0 6 2 实际工作中出现断裂位置处焊缝应力最大值从5 6 9 5 m p a 增加到 7 0 5 4 m p a 增大幅度为2 3 8 6 由此以上分析结果可看出 侧向力对h 型架结构最大应力以及焊缝处应力 影响都比较大 5 4 3 针对侧向力的结构改进方案 h 型架端部与主机相连部分 约束原为单球头铰链 用c a t i a 建立三维模型 如图5 6 示 图5 6h 型架端都与主机连接球头铰链图 浙江大学硕士学位论文h 型架结构改进分析 单球头铰链结构在受侧向冲击力时 不能承受较大力 此处为了使h 型架 能承受更大的侧向冲击力 考虑将端部改成双球头铰链结构 改进后结构如图 5 7 示 图5 7h 型架端部与主机连接双球头铰链图 侧向力作用下 h 型架应力分布云图如图5 8 示 罾曼二 二 图5 8 侧向力作用下h 型架双球头铰链应力云图 与图5 5 单铰链应力分布结果对比 l h 型架结构应力最大值从5 5 0 0 5 m p a 降低为3 0 3 4 6 m p a 降低4 4 8 3 2 实际工作中出现断裂位置处焊缝应力最大值从7 0 5 4 m p a 降低到 5 0 6 l m p a 降低幅度为2 8 2 5 由此以上分析结果可看出 改进设计后 h 型架最大应力值与实际工作中出 现断裂位置处焊缝应力值均有大幅度下降 说明将h 型架与主机连接处单球头铰链结构变为双球头铰链结构改进方案 效果较好 可建议厂家采取此方案 4 9 浙江大学硕士学位论文h 型架结构改进分析 5 5 本章小结 本章主要任务是对h 型架结构优化 以提高其承受载荷能力从而提高其强 度 主要分两部分内容 第一部分内容根据实际需要对h 型架简化 将圆角简化为棱角 多层板合 并为一层 板厚为几层板之和 去除原结构筋板 处理后 选择横梁板厚 横梁 板宽 纵梁跨度三个参数 对其进行正交试验 根据试验结果找出对h 型架强 度影响最大的量为横梁板厚 综合考虑试验结果和实际情况 提出增加板厚为成 本最小 可行性最好的改进方案 第二部分内容分析侧向力对h 型架强度影响 首先根据实际经验评估侧向 力对h 型架强度影响 然后对其施加侧向力 进行有限元分析 根据有限元分 析结果 说明侧向力对h 型架最大应力及焊缝处应力均有较大影响 最后提出 一种较为可行的改进方案 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 6 有限元分析与危险点测试结果比较 6 1 测试仪器介绍及测试说明 l 仪器及软件介绍 应厂家要求 实地测试推耙机工作情况 主要针对实际工作中出现断裂的焊 缝位置测试工作应力 测试采用n i 美国国家仪器 公司的mc o 9 0 1 2 智能实时嵌入式控制器 n ic 融o 9 1 1 2 可重配置嵌入式机箱和m9 2 3 58 通道 2 4 位 1 4 桥模拟输入模 块 美国国家仪器 n a t i o n a li n s t m m e n t s 公司是著名的测试设备供应商 它帮 助设计 控制 测试领域的工程师与科学家解决从产品设计 原型机制作到产品 发布过程中遇到的诸多问题 借助计算机软件 如l a b m e w 和高度集成 高性 价比的模块化硬件 m 帮助各领域的工程师在各自的工作领域不断创新 缩短 新产品的设计研发和制造时间的同时大幅度降低研发成本 1 9 9 8 年 公司在上 海成立了公司的第一个国际研发中心 同时进入中国市场 实验数据处理采用n i 公司的l a b v i e w 软件 l a b v i e w 全称 l a b o r 咖d v 胁r a li l l s t i 啪e me n g k e r 崦w o r l b e n c h 是一种程序开发环境 类 似于c 和b a s i c 开发环境 l a b e w 与c 和b a s i c 等其他计算机语言有显 著区别 c 和b a s i c 等计算机语言采用基于文本的语言产生代码 而l a b v i e w 使用的是图形化编程语言 用户通过l a b e w 图形化编程环境 编程者可以 用类似于 搭框图 的方法搭建所见即所得的程序界面 产生的程序是框图的 形式 程序的执行内容由一个个表示函数的图标和图标之间的数据流连线组成 在编写上更直观且易于理解h 3 1 l a b v i e w 程序被称为虚拟仪器 v n u a l i n s t 册e m 因为它的很多界面控 件与操作模拟了真实的仪器 如示波器和万用表 l a b v i e w 将计算机软件技术 与高性能模块化硬件结合起来 建立起基于计算机功能强大的测试测量与控制 系统 虚拟仪器是计算机辅助测试 c a t 领域重要组成 是计算机硬件 仪 器与测控系统硬件和虚拟仪器软件资源高度整合f 4 4 1 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 与传统仪器相比 主要差别有三点 5 9 1 1 与用户交互的面板 传统仪器面板只有一个 其上布置多种显示与操作 元件 而虚拟仪器可通过在几个分面板上操作实现复杂功能 从而提高操作正 确性与方便性 2 虚拟仪器开发及维护成本远低于传统仪器 且虚拟仪器开发周期比传统 仪器短 3 虚拟仪器可灵活与计算机同步 可通过网络与周边仪器连接且可以实现 自动化 智能化远距离传输 相比之下 传统仪器在这些方面功能较差 综合以上特性 虚拟仪器近年来在汽车 通信 航空航天 半导体 电子设 计生产 过程控制 生物医药以及海洋探测等多领域得到广泛应用 2 测试说明 主要测试位置即实际工作中出现断裂的危险位置 如图6 1 示 实际测试图片如图6 2 图6 1 测试点三维示意 5 2 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 图6 2 测试点示意 在以上各点贴上应变片 接上数据线并将数据线与仪器连接 应变片线脚非 常脆弱 推耙机工作环境较恶劣 经常出现碰撞等问题 为保护应变片 将其表 面涂上中性硅酮耐候胶 除保护应变片作用外 涂上硅酮耐候胶可以避免推耙机 在工作中线脚纠缠在一起以及线脚与推耙机本体接触 影响测试结果 处理完成 将推耙机放入工作环境 n i 测试仪器放在推耙机上 通过网线 与工作环境外的计算机连接 以观测工作过程 测试过程如图6 3 示意 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 6 2 测试原理简介 图6 3 推耙机测试工作示意 1 电测法基本原理 删 现有技术下 一般通过测量构件的应变来测试应力 对h 型架结构 本实 验采取电测法一一电阻应变测量法 电阻应变测量法基本原理是 将应变片按照构件受力情况 粘贴在构件表面 变形位置 构件受力变形时 应变片金属丝受拉伸或者压缩 其电阻值发生变化 变化大小与构件变形有一定比例关系 通过测量电路转化为模拟型号 分析处理 后得到应力 应变或其他物理量 电阻应变测量法优点在于 1 灵敏度与精度较高 2 原理简单 方法简便易行 可实现多点同步和远距离测量 可方便与 计算机连接 3 抗高温 高压等干扰能力强 应用广泛 任何可转变为应变的物理量 都可采用 2 应变片应力计算 对于承受单一载荷的构件而言 使用单向应变片即可 推耙机实际工作时受 力较复杂 实际测试点承受拉压与弯曲等多种载荷 且主应力方向未知 单向应 浙江大学硕士学位论文 有限元分析与危险点测试结果比较 变片不能满足要求 必须采用多个应交片 实际测试采用4 5 三向应变花 该种 应变花应变公式与应力公式分别为 钆 怒 正孕 一e s o s q t 2 了蔷著 e 厄忑了丽习 2 1 y 产 t a n 2 塾d 剑 s o 一 毛一一最大主应变 q 一一最大主应力 s 一一最小主应变 仃 一一最小主应力 一一0 9 应变片轴线与最大主应力q 方向夹角 本次实验采用4 5 应变片 除此之外 还有6 0 由于本实验未使用 此处 不作介绍 6 3 测试结果分析 1 测试结果 测试中 第3 测试点发生失效 第1 2 4 5 测试点数据有效 测试结果 如图6 4 示 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 点2 最小应力 叩 判 胛 蕊 r 嘲 图6 4 测试结果 测量点选择距离焊缝0 5 倍板厚处 一方面 该点测量值可以直接作为热点 应力 另一方面 电测法主要用于测量均匀部位应力 该点离焊缝有一定距离 可以减少焊缝形状不规则对测量准确度的影响 2 结果分析 推耙机分推和耙两种工况 推工况下应力值为正 耙工况下应力值为负 对 应应力数据中正负值 应力值有瞬间波动变化现象 表示此时推耙机与煤块或者 船舱有冲击 不同速度下产生的冲击载荷大小不同 1 第1 测试点应力较小 大部分工作时间内 应力值不超过2 0 m p a 最 大冲击载荷下 应力值正向接近4 0 m p a 负向超过6 0 m p a 2 第2 测试点正常工作情况下 应力值在2 0m p a 上下波动 承受冲击 载荷时 瞬时应力可能超过1 0 0 m p a 3 第4 测试点正常工作情况下 应力较小 承受冲击载荷时 瞬时应力 超过1 0 0 m p a 最大可超过1 5 0 m p a 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 4 第5 测试点正常工作情况下 应力与第4 测试点分布类似 承受冲击 载荷时 瞬时应力最大超过1 5 0 m p a 4 个测试点最大冲击应力差别较大 最大值从6 0 m p a 到1 5 0 m p a 分析原因 可能是因为第1 测试点离支座较远 在冲击瞬时受到推耙油缸作用力影响较小 所以最大应力峰值较小 6 4 有限元分析结果与测试结果比较 有限元分析时考虑各种工况下应力分布 而推耙机在实际工作时 只根据实 际需要调整铲刀姿态 各种工况并不严格区分 因此实际测试结果呈现出应力值 波动的情况 1 有限元分析 第四章中有限元计算 详细分析推耙机在各种工况下 承受最大载荷时h 型架应力分布情况 分别提取各工况下0 5 倍板厚处应力值作为热点应力值 结 果如表6 1 表6 1 有限元分析结果 馥置i 刃 第一位置第一位置第二位置第二位置第三位置第三位置 测试点 推耙 推 耙推耙 l5 3 1 45 0 9 31 0 2 0 61 0 3 5 33 3 5 13 5 8 2 24 1 2 75 3 6 l1 1 1 1 71 0 9 1 83 0 7 l3 8 9 6 3 41 0 2 5 55 3 1 55 1 0 95 1 7 73 9 5 34 7 7 3 59 7 1 54 6 3 55 2 1 25 2 1 53 3 2 94 6 6 2 2 数据比较及差异分析 将各个点有限元计算结果与实际测试结果比较 1 第l 测试点有限元计算结果最小值为3 3 5 l m p a 最大值为1 0 3 5 3m p a 实际测试在正常工作时间内 应力值不超过2 0 m p a 冲击载荷产生最大应力为 6 0m p a 2 第2 测试点有限元计算结果最小值为3 0 7 1 m p a 最大值为l1 1 1 7m p a 实际测试在正常工作时间内 应力值在2 0 m p a 上下波动 冲击载荷作用下 最 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 大应力超过1 0 0 m p a 3 第4 测试点有限元计算结果最小值为3 9 5 3 m p a 最大值为1 0 2 5 5m p a 实际测试在正常工作时间内应力值较小 冲击载荷作用下产生最大应力超过 1 5 0 m p a 4 第5 测试点有限元计算结果最小值为3 3 2 9 m p a 最大值为9 7 1 5 m p a 实际测试在正常工作时间内应力值较小 冲击载荷作用下 产生最大应力超过 1 5 0 m p a 有限元计算结果与实际测试结果有一定差异 原因有几方面 1 实际测试时并未准确区分各种工况 实际情况是推耙机在工作过程中 根据需要不断调整铲刀姿态 同时油缸推动铲刀上下运动是一个连续的过程 所 以同一测试过程会出现有限元计算时的所有工况 也会出现有限元计算时未考虑 到的中间过程工况 2 实际工作过程中经常有冲击载荷作用 由于作业对象不同 推耙机速 度不同 冲击载荷大小也时时变化 有限元分析并未考虑到这一点 分析出的结 果为恒定值 3 实际工作时 推耙机铲刀并非时时处于满载状态 载荷并非时时处于 最大状态 有限元分析时无法考虑到载荷波动的因素 因此只能按照最大载荷工 况分析 综合以上因素 有限元计算与实际测试结果有一定差距 正常工作情况下 有限元计算结果大于测试结果 冲击载荷情况下 有限元计算结果小于测试结果 3 测试典型工况与有限元分析对比 试验中 对推耙机提升油缸和推耙油缸压力进行测试 结果如图6 5 示 浙江大学硕士学位论文有限元分析与危险点测试结果比较 图6 5 油压测试结果 分析结果可知 测试过程中7 0 0 s 左右 油压有一次突然升高 可能原因是 推耙机工作工程中撞击到大块物料 分析应力结果图 各点应力此时都处于较大 值 本节计算思路如下 箧蚤囝霍一菘攀应 根据油缸压力计算出此时h 型架受力 将计算结果作为初始力代入a n