基于有限元分析的叉车门架的焊接变形研究

目录1绪论.11.1课题来源、目的和意义.11.1.1课题的来源.11.1.2课题的目的.11.1.3课题研究的意义.11.2课题研究的背景.11.3焊接变形的研究方法.21.3.1建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式.31.3.2基于一维解析的残余塑变法.31.3.3热弹塑性有限元法.31.3.4残余塑变有限元法（固有应变法）.31.4焊接变形研究中常用的软件.41.5国内外焊接变形研究的历史与现状.41.5.1国外焊接变形研究与发展状况.41.5.2国内焊接变形研究与发展状况.61.6本论文研究的内容.61.7本章小结.72焊接数值模拟.82.1有限元法简介.82.2焊接有限元分析简介.92.3有限元的基本理论.102.4弹性力学有限元分析基本理论.132.4.1一点应力状态.132.4.2应变一位移方程.142.4.3应力一应变方程.142.4.4虚功原理.152.5壳单元基本算法.162.5.1Shell181壳单元.162.6固有应变理论.212.6.1固有应变有限元法.212.6.2固有应变有限元法的计算机制.252.6.3固有应变的施加方法.262.7本章小结.263焊接数值模拟软件的选用及其主要功能.273.1ANSYS软件的简介.273.2ANSYS程序功能.283.3ANSYS程序单元类型.293.4ANSYS程序材料类型.293.5ANSYS文件系统.293.6ANSYS软件在焊接变形分析中的应用.303.7ANSYS软件在焊接固有应变法中的应用.313.8本章小结.314CPCD30叉车外门架焊接变形模拟分析.324.1用ANSYS软件进行有限元分析的典型过程.324.2CPCD30叉车外门架的主要分析指标.324.3基于UG/CAD的外门架三维实体建模.334.4叉车外门架的材料属性.344.5叉车外门架有限元模型的建立与仿真.354.5.1叉车外门架固有应变的计算.354.5.2模型的导入.394.5.3定义接触.394.5.4定义模型材料属性和片体厚度.404.5.5叉车外门架有限元模型单元的选择.414.6.6叉车外门架网格的划分.424.5.7边界约束条件和加载.434.5.8外门架焊接变形模拟计算.434.6外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面变形分析.454.6.1外门架左右滑道内侧面X方向变形分析.454.6.2平行度的定义及检测方法.474.6.3左右滑道内侧面平行度误差分析.494.6.4左右滑道上侧面平行度误差分析.504.7外门架焊前措施的采取.514.7.1外门架焊前反变形措施的采取.514.7.2外门架左右滑道X方向变形分析.544.7.3左右滑道内侧面平行度误差分析.544.7.4左右滑道上侧面平行度误差分析.564.7.5上横梁与挂链座单独焊接时外门架焊后变形趋势.574.8本章小结.58结束语.59致谢.61参考文献.62附录.6401绪论1.1课题来源、目的和意义1.1.1课题的来源本课题内容为广西柳工机械股份有限公司叉车事业部叉车门架焊接变形趋势的研究。由于该企业叉车类型众多，基于毕业设计时间的考虑不能一一研究，故选择具有代表性的CPCD30叉车外门架的焊接变形趋势就行研究分析。1.1.2课题的目的在叉车的运输装卸过程中，叉车门架作为主要的支撑和导向部件，对叉车的工作性能和工作平稳的可靠性有着重要的影响。本论文通过对CPCD30叉车外门架焊接总成时的变形趋势和结果进行数值模拟分析，立足于半外门架模型，通过计算机模拟分析来了解CPCD30叉车外门架的焊接变形趋势，为叉车外门架焊接前采取措施提供有效可行的参考依据。1.1.3课题研究的意义统计资料表明，焊接结构件在叉车整机重量中的比重占到40左右。由于种1种原因，许多叉车主机厂把叉车焊接件作为自己的核心自制件。叉车的主要三大焊接结构门架、车架和桥体，各叉车厂家在引进国外先进技术的过程中又不断进行技术改造和创新，力求使自己的产品在市场上占据优势，为企业的发展注入动力。现在随着广西柳工机械股份有限公司叉车产量的不断增加，原来的生产工艺已经不能很好的满足生产所需，再加上市场原材料价格的不断上升，矫正变形及机械加工费用的持续提高等生产成本的提高，这些因素很大程度上制约了大吨位叉车的生产和销售，限制了该企业叉车市场的占有额和利润空间。本课题以研究CPCD30型叉车外门架的焊接变形为基础，探索数值模拟技术中固有应变理论在焊接预测和控制方面的应用，力求提高叉车外门架的焊接质量，为大型部件焊接后能够不加工提供了一种可行的参考方法和依据，达到降低生产成本和减少生产时间的效果。1.2课题研究的背景叉车作为通用的起重运输机械，主要用于车站、仓库、港口和工厂进行成件包装货物的装卸和搬运，在配备其它工具以后，还能用于散堆状货物和非包装货物的装卸作业。换而言之叉车主要有如下优点和用途：（1）、实现装卸搬运作业机械化，减轻工人的劳动强度，节约大量劳力，提高劳动生产效率，缩短生产时间；（2）、缩短装卸、搬运、堆码等作业时间，加快企业，汽车和铁路车辆的运转；1（3）、提高仓库容积的利用率，促进多层贷架和高层仓库的发展；（4）、减少货物破损，提高作业安全程度。由此可知，叉车产业的前景十分广阔，为实现柳工叉车的快速增长和收入的不断上升，2006年初柳工果断决策实施“柳工万台叉车建设项目”。该项目建成投产后，预计可完成年销售收入8亿至10亿元，争取进入国内叉车行业前三名，同时带动广西柳州叉车配套件及相关产业的发展。该项目的建成投产，将对柳工的做强做大，实现“十一五”期末达到销售总收入150亿元的目标起到重要作用。然而该公司的叉车门架在焊接中存在一定的变形，且其变形难以控制和预测，严重的影响了叉车的实用强度，精度和价值。通常，焊件的焊接残余变形和残余应力是同时存在的，有时焊接残余变形的危害比残余应力的危害还要大。焊接残余变形使焊件或部件的尺寸改变，降低装配质量，甚至使产品直接报废。矫正变形是一件费时的事，会增加制造成本，降低焊接件的性能，另外由于角变形、弯曲变形和扭曲变形使得构件承受载荷时产生附加应力，从而降低构件的实际承载能力，容易导致事故发生。外门架传统的工艺是先进行焊接再矫正，但矫正后的构件存在附加应力，会降低门架的实际承载能力，降低叉车门架的使用寿命和增加生产成本。严重的焊接变形将无法矫正致使焊后变形的叉车门架成为废品，因为叉车门架的过大变形即使能进行矫正也会很容易导致门架断裂事故发生，很容易造成人员伤亡和财产损失。为此叉车门架的焊接变形一直是困扰该企业叉车设计部门的瓶颈。由于计算机技术的飞速发展，特别是近些年来微机技术的不断进步，如其存贮容量，运算速度以及图形显示等功能都在不断增强，而价格则进一步降低，这为计算机更加广泛的应用和普及提供了可行的前提条件。计算机在焊接工程中的应用国内外也取得了很大的发展和长足的进步。国内于1987年和1988年分别在西安和上海召开了第一届和第二届全国数值分析和CADCAM在焊接中应用的交流会，1989年在北京举行了焊接专家系统学术讨论会，1992年在太原召开了计算机在焊接生产中应用的学术和技术交流会，1993年在青岛第七届全国焊接年会上，数值分析和CADCAM研究组共收到有关计算机在焊接中应用方面的文章49篇。本论文将参考有关焊接变形的论文和著作，运用数值模拟技术分析叉车外门架在焊接总成后常出现的一些焊接变形问题。1.3焊接变形的研究方法对于焊接变形的预测和控制，过去大多是基于经验或是简化的计算方法,只能用于简单的板或梁等焊接结构件，对稍微复杂的焊接结构件往往就显得无能为力。最近发展起来的热弹塑性有限元法从原理上可以解决任何复杂焊接件结构变形的问题，但其需要大容量计算机和很长的运算时间,因而对于大型复杂的焊接结构件即使实用也是很不经济的。从20世纪90年代开始，日本研究者把固有应变理论引入到热加工中应力和应变的研究,从而使得大型复杂结构的焊接变形得以解决，既经济又快捷。2实际焊接的过程是一个三维动态热弹塑性问题。如果要考虑熔池的影响，还得引入高温流体力学分析。不过仅就焊接应力与变形研究来说，目前主要有四个研究方法：1）、建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式2）、基于一维解析的残余塑变法（简称解析法）3）、热弹塑性有限元法4）、残余塑变有限元法（固有应变法）1.3.1建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式2目前在一些焊接手册中有一些分析焊接变形的经验公式和数据。例如焊后焊缝的纵向收缩量，平板堆焊以及T型接头的角变形等。这些经验数据是在一定条件下的实验或生产实践中得到的，因此只能用于一些最简单的焊接情况，存在相当的局限性。1.3.2基于一维解析的残余塑变法前苏联的H.O.奥凯尔布朗姆用图解的形式分析了一维条件下焊接过程中应力和应变关系的变化，对了解焊接应力与变形产生的原理和本质有重要的贡献。基于一维解析的残余塑变来计算焊接变形的方法在C.A.库兹米诺夫的著作里得到了进一步的发展并形成了一个较完整的体系，然而该方法是建立在平截面假定及其它一系列简化假3定的基础上的，要定量分析一些复杂构件的焊接应力与变形是十分困难的，因此以残余塑变来计算焊接变形的解析方法，仅适合用于简单的梁或平板等结构的焊接变形分析。1.3.3热弹塑性有限元法焊接热弹塑性有限元法分为两个步骤：1）焊接传热分析；2）应力变形分析。47先通过焊接传热有限元分析得到整个焊接和冷却过程中每一刻工件中的温度场，再将温度数据输入到热弹塑性有限元分析程序，进行焊接变形和残余应力的分析计算。该方法的特点是可以跟踪整个焊件的焊接过程，了解构件的动态应力应变过程及焊后的残余应力与变形。该方法从原理上可以分析任何复杂结构的焊接应力与变形，但其缺点是计算量太大和计算时间太长，因而对于一些大型焊接结构还难以完全实现。对于经典的热弹塑性有限元法而言，计算机模拟焊接变形时的主要问题如下：891）、材料高温性能参数缺乏；2）、依据节点需要大内存容量的计算机；3）、复杂结构焊接问题解析需要很长计算时间，失去了工程意义。1.3.4残余塑变有限元法（固有应变法）3如前面所述，对于简单的梁或平板的焊接变形，可用残余塑变进行简化的解析计算，然而对较复杂的焊接结构就无能为力。这时，固有应变有限元法是一种既能解决大型复杂结构，又是比较经济的预测焊接变形的方法，有很好的实用意义和发展前景。固有应变可以看成是产生焊接残余应力和变形的根源，用来分析和预测焊接残余应力及变形，残余塑变存在于焊缝及其附近，残余塑变的大小和分布就决定了焊接件最终的残余应力和变形。因此如果知道了残余塑变的大小和分布，把它作为焊接构件的初始应变加载到焊件焊缝及其附近，就可以采用数值模拟软件通过一次弹性有限元分析求得整个焊接件的最终焊接变形。该方法目前在国内外都取得了不少进展，具有较广阔的应用前景和实用价值。表1-1是几种常用的预测焊接变形方法的比较。表1-1几种常用的预测焊接变形方法的比较热弹塑性有限元分析方法固有应变有限元分析方法板壳单元的固有应变有限元分析方法基本方程dDCdT*iijjDH2ijijkij原理塑性流动法则、虚功原理、FEM固有应变理论、FEM板壳弹性大变形理论、FEM主要步骤焊接温度场的模拟、划分网格、加载温度载荷、弹塑性分析模型准备、划分网格、加载固有应变、弹性有限元分析模型准备、划分网格、加载固有应变、非线性大变形弹性有限元分析计算特点跟踪焊接全部热力学过程、计算时间很长、计算量大着重于焊后结构件的变形、计算时间短、计算量小着重于焊后结构件的变形、计算时间短、计算量小适用范围理论研究实际应用薄板的焊接变形应用1.4焊接变形研究中常用的软件随着焊接温度场、应力场和变形的深入研究以及近年来计算机技术的突飞猛进，目前在进行焊接变形有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算分析应用软件，如:ANSYS、ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWBLD等。其中ANSYS是一个集结构、流体、电场、磁场、声场、热分析于一体的强有力的大型通用分析模拟软件，使用ANSYS软件可以很好的模拟分析各种结构的变化，达到减少设计量和制造成本的目的。本论文将采用ANSYS软件对CPCD30型叉车外门架的焊接变形趋势进行研究分析。1.5国内外焊接变形研究的历史与现状41.5.1国外焊接变形研究与发展状况二十世纪三十年代，Rosenthal等人提出了焊接温度场的原始数学模型。前苏联学者雷卡林则进行了系统的理论表述和实际应用的创新，其著作至今仍是基本的参考书。后来焊接的研究人员在此基础上对焊接的应力和应变进行了研究。1947年奥凯尔勃洛姆出版了两本书，给出了有关焊接残余应力和焊接变形的起因和分类的见解、简单分析和原有方法的测量结果，还叙述了焊接残余应力和焊接变形的影响因素和减少焊接变形可能的途径。Malisius更好地研究了各种焊接变形及其物理、工艺起因和影响因素，包括对设计和制造的影响，讨论了关于焊接残余应力造成裂纹起源的危险。Hansch和Kreb给出了焊接残余应力和焊接变形起因的基本论据，理论研究和工程应用的分析方法，纵向和横向应力系统对结构负载能力、设计、制造方法的影响，并给出了一个关于杆状零件的充分的、系统的、严密的描述的详细数据及实际应用的分析举例。七十年代初，日本的上田幸雄等人首先以有限元法为基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，从而使得复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。此后他们在这方面有许多发展，取得了丰硕的成果。这些成果可以归纳下几个方面:1)焊接热弹塑性基本理论，并引入了蠕变分析和相变时的力学处理；2)焊接应力的发生机制和残余应力分布形态；3)应力的消除退火；4)焊接裂缝及其力学指标；5)固有应变理论；6)基于固有应变理论的三维残余应力测定法；7)高精度焊接变形的预测；8)焊接应力变形对焊接接头的强度影响等。美国MIT的K.Masubuchi等人在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作。其著作涉及很广，包含了瞬时温度场、热应力、焊接残余应力和焊接变形。还包括在上述现象基础上的焊接结构强度分析，也论述了焊接缺陷和疲劳断裂力学。他把引起焊接变形的金属运动分为三种模式：焊件因电弧加热作为简单物体的运动(模式1)；焊缝金属凝固前相连的两个分开部分的运动(模式2)；连接部分刚体的运动(模式3)。数值模拟可以预测模式1和模式2的变形，但是难以预测模式3的变形。G.W.Krutzy在1976年的博士论文中也用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型并考虑了相变潜热问题。加拿大的Z.Paley编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层，双层U型，V型坡口的焊接传热计算程序，采用了差分法。考虑了材料的物理性能和温度的关系，将融化区的单元作为传热的热源来处理。J.Goldak等人对从熔点到室温时的焊接热应力进行了分析研究，提出了各个温度段的本构方程：在温度低于0.5熔点时速率不依赖性或弹塑性；温度从0.5到0.8熔点时速率依赖性或弹、粘塑性；温度超过0.8熔点时线性粘塑性模型。瑞典的L.Karlssson教授等人对大板拼接的焊接变形和应力进行了分析研究，特别是分析了焊缝前端间隙的变化和点固焊的影响。另外还采用同样方法对薄壁管子的5焊接残余应力和变形进行了分析。计算中都考虑了材料性能的温度依赖性和相变膨胀的影响。L.Karlssson等人还提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂缝的有效方法,并且在九十年代对三维和板壳联合的焊接模型进行了分析。B.L.Josefson对C-Mn钢的多层焊接管子局部退火后的应力再分布进行了研究，发现局部退火后管子内壁的拉伸残余应力与均匀的炉内热处理时的不同。加热宽度较小时，焊缝中残余拉应力较大，只有当加热到半宽。L=150mm(板厚为222mm的情况)时局部热处理与炉内整体热处理的差别才能忽略。法国的J.B.Leblond对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究。在上述研究的基础上发展了SYSWELD专用软件。该软件可用于淬火、表面处理、焊接、热处理和铸造等过程的分析研究，其中包括材料相变、容积变化和潜热影响、表面硬度计算，残余应力和应变计算，相互作用的前后处理等理论预测、模拟的结果必须和实验结果对比才能保证数值模拟的正确程度。数值模拟中采用的材料物理性能参数和力学性能参数也来自实验。因此，利用已有的实验结果，结合已经积累的数据库和经验参数方程或者采用部分解析的方法，可以在不影响精度的条件下简化分析和计算过程，这种方法被称为“适用性模拟方法（FittingModeling)”，如果再结合神经网络、模糊处理技术，从多角度考虑各种因素的影响，就形成了智能适应模拟技术（IntelligentFittingModeling）。国际上有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃。有关的国际会议有“ModelingofCasting,WeldingandadvancedSolidificationProcesses和NumericalAnalysisofWeldability”等己经举办了多届。后者由国际焊接学会（IIW)第IXB分委会焊接性数值分析工作组与奥地利的Graz工业大学共同组织。1997年7月英国焊接研究所(TWI)、美国焊接学会(AWS)、美国国家标准与技术研究所程序ANSYSinteractive选择工作路径文件名run，进入ANSYS的图形用户界面（GUI），进行菜单和命令操作。用ANSYS进行有限元分析的过程同一般有限元分析过程一样，主要的步骤如下：l)前处理前处理是ANSYS有限元分析的基础，包括定义工作文件名、设置分析模块、定义单元类型和选项、定义实常数、定义材料特性、建立分析几何模型和施加载荷及约束。2)求解计算用户需要根据分析类型及其涉及的理论背景，选择求解器，并设定迭代法选项、几何非线性选项、预应力选项、收敛准则选项、重启动选项、载荷步设置、自动步长选项、结果输出选项等。3)后处理后处理是ANSYS有限元分析的结果显示与分析，包括从求解计算结果中读取数据、对计算结果进行各种图形化显示、对计算结果进行列表显示和进行各种后续分析。4.2CPCD30叉车外门架的主要分析指标通常焊接应力和变形是指被焊工件在焊接过程中内部所产生的应力和变形。一般情况下，被焊工件在焊接时能自由地收缩，则变形量较大，而焊接应力较小；反之，如果被焊工件由于受外力的作用和限制或被焊工件自身刚性较大，焊件就不能自由收缩这时焊后所产生的变形就较小，而焊接应力就较大。在实际生产过程中，由于被焊工件在焊接后均会产生一定的变形，并在内部存在一定的残余应力(即残留在被焊工件内的焊接应力)，所以变形和应力在焊接过程中是同时存在的。焊接应力和变形直接影响焊件的形状和尺寸，变形严重时甚至会产生局部裂纹；另外，变形还对整体结构的组装、组焊和加工造成一定困难，并且还需增加矫正变形和机械加工的成本，造成不必要的浪费。因而防止焊接应力和变形是焊接生产的一个非常重要的环节。实践证明，结构件焊接不可避免地会产生焊接应力和变形，因此在焊接过程中和焊接后，应采取相对应的工艺方法和措施使焊接应力和变形减少到最低程度，使其能根据产品设计的要求尽最大可能达到少加工、无加工，少矫正或无矫正的目的。由于目前广西柳工机械股份有限公司叉车事业部的CPCD30叉车外门架的主要问题是外门架的变形影响了内门架在外门架滑道的运动，据该该公司叉车事业部的工作人员介绍，当外门架的变形过大时，内门架在外门架里面的滑动就会受到限制，严重时35外门架的变形会卡死内门架的运动，而影响内门架的运动的主要因素是外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面的变形。因此本论文将主要分析外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面的变形趋势，通过对外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面的变形趋势的模拟分析，提出有效可行的措施方法来限制外门架的焊接变形，使其变形量在外门架设计的公差范围内，尽可能达到少加工、无加工，少矫正或无矫正的目的。外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面的示意图如图4-1所示：图4-1外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面的示意图4.3基于UG/CAD的外门架三维实体建模现在有限元分析法中，有限元模型大多数是基于CAD图形的几何基础建成的，也可直接形成有限元网格来模拟。如果用后一种方法，有精确的几何数据点，也是可取的，但由于只能用手工建模，其工程量之大，尤其对外门架这样的大件、复杂的几何体，其建模工作量更大。因此，对于有详细图纸的分析构件，为了更大限度地表达分析间的几何特性，则应选择基于几何的有限元分析法。我所做的叉车外门架焊接变形分析，零件多，且由于在不同软件中所用到的单元大小不同，如果用直接生成有限元网格的方法，工作量很大，故我选择基于CAD图形的方法来做。本叉车外门架模型选用三维实体建模功能较强的UG软件来建立实体模型。图1-1是本论文所分析的外门架的UG三维几何模型，该门架主要包括外门架上横梁、外门架中横梁、外门架下横梁、挂链座、挂耳座、左右滑道等组成部分。由于该门架所用的大都是钢板，其厚度相对外门架的总体长度较小，故为了下一左滑道内侧面右滑道内侧面左滑道上侧面右滑道上侧面36步方便建立以壳单元离散的有限元模型，在UG中采取片体对叉车外门架进行建模（取叉车外门架实体的中面建立片体模型），同时为了模拟分析的简化和考虑主要因素，有必要对影响外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面焊接变形的次要因素除去。根据对称性取叉车的半对称模型进行建模，同时为了模拟外门架的焊接变形时固有应变加载的方便，有必要对叉车外门架的片体模型分割出固有应变区。分割建立好的叉车外门架的半对称片体模型如图4-2所示：图4-2半叉车外门架片体半对称模型图4-3叉车外门架部分构件（外门架上横梁和挂链座）分割示意图4.4叉车外门架的材料属性CDCP30叉车外门架的左右滑道材料为20MnSi,其余主要材料为Q235。其基本属性如表4-1所示：37表4-120MnSi和Q235材料的部分属性材料弹性模量E泊松比屈服极限s强度极限b屈服应变sQ235205GPa0.282235MPa410MPa0.00220MnSi212GPa0.293338MPa552MPa0.002图4-4碳素结构钢静力拉伸曲线（Q235）4.5叉车外门架有限元模型的建立与仿真4.5.1叉车外门架固有应变的计算根据柳工叉车事业部工作人员提供的数据，外门架的焊接工艺参数如下：焊接电压：U=30V焊接电流：I=300A焊接速度：v=0.25cm/s取焊接热效率：0.74根据以上参数可计算得焊接时的线能量输入：J/cm4.32.6105UIQv外门架的焊缝分布位置图见附录（一），由于叉车外门架所有焊缝处固有应变的计算方法是一致的，下面以叉车外门架上横梁和挂链座处的焊缝为例计算其固有应变的大小,根据文献焊接线能量可以根据板厚的导热情况分为两部分分别加于外141Q2和门架的挂链座和上横梁。1）挂链座挂链座板厚：h=4cm38J/cm4122.61083.5Qh2由图2-13得横向系数:cm/J78.03纵向系数取：cm/J7.61k3由图2-14得：0.42eh故施加固有应变区域的高度：cm0.420.42.6eh根据焊接实际情况的熔池大小取固有应变区域的大小为：mm26.ah2由此可求得挂链座的焊接单层时的纵向固有应变体积：cm46.108.10.522xQWk2纵向平均残余固有应变：*.5.0894064xxah21wmmxxFk由于焊接是焊缝的层数为两层，每层的焊接线能量输入相同，k的修正系数为：焊接后焊缝的截面积：Q235材料的屈服应变：20.5wc0.2m代入相关参数求得：，故焊后挂链座的纵向总的残余固有应变为：1.7mk*.8940.152zxx焊后挂链座的横向单位固有应变体积：4722.6.10.7892yQWcm故焊后挂链座总的横向平均残余固有应变：39*2100.17890.65264yyWah2）上横梁挂链座板厚：h=4cm1J/cm4122.6083.5Qh2由图2-13得横向系数:cm/J718.03纵向系数取：cm/J71.6k3由图2-14得：10.42eh故施加固有应变区域的高度：cm1110.420.42.6eh根据焊接实际情况的熔池大小取固有应变区域的大小为：mm1236.a2由此可求得挂链座的焊接单层时的纵向固有应变体积：cm461.108.0.522xQWk2纵向平均残余固有应变：*110.45.096306xxah2wmmxxFkW由于焊接是焊缝的层数为两层，每层的焊接线能量输入相同，的修正系数为：1k焊接后焊缝的截面积：Q235材料的屈服应变：20.5wFcm0.2m40代入相关参数求得：，故焊后挂链座的纵向总的残余固有应变为：1.75mk*1.096.01zxmx焊后挂链座的横向单位固有应变体积：47212.8.1.7892yQWcm故焊后挂链座总的横向平均残余固有应变：1*100.10.2392264yyah表4-2外门架焊接总成时各焊缝的固有应变计算结果固有应变区编号纵向固有应变（）*x横向固有应变（）*y1-挂链座0.0105120.0168581-上横梁0.0070010.0112392-上横梁0.0077760.0140472-左滑道0.0226450.0046572-2-上横梁0.0098150.0181642-2-左滑道0.0030120.0052733-中横梁0.0081820.0156223-左滑道0.0044020.0089844-下横梁0.0081820.0156224-左滑道0.0032120.0065564-1-下横梁0.0074650.0133084-1-左滑道0.0061850.0106015-挂耳座0.0047090.0097585-左滑道0.0033390.008063上述固有应变值应该作为单元载荷施加在计算模型上，但在ANSYS软件中，由于固有应变不能直接作为载荷赋予焊缝及其附近的单元件，但可以利用该软提供的各向异性热膨胀系数功能，使焊缝在纵向和横向的不同收缩得以体现，利用单位温度载荷，来实现载荷的施加。即：*/WFTW为单位长度上的焊缝总收缩量；F为施加固有应变单元的截面积；为材料的热膨胀系数，此处大小等于固有应变数值的大小；41为单位温度载荷。T把上述计算所得的应变载荷施加在叉车外门架对应的焊缝及其附近单元上，进行一次弹性有限元计算，最终可求得外门架的最终焊接变形。但在指定热膨胀系数时，一定要注意，由于材料方向依赖于单元坐标系，而应变方向依赖于整体坐标系，在单元坐标和整体坐标不一致时，必须仔细区分焊缝的纵向应变和横向应变所对应的材料方向。例如本论文分析中所采用的SHELL181弹性壳单元，其单元坐标系的规定为：X轴正方向由节点I指向节点J，Z轴为单元法线方向其正方向按节点IJKL的顺序由右手法则，确定Y轴正方向则根据X轴和Z轴按右手法则确定，如图4-5所示：图4-5SHELL181单元坐标示意图代入固有应变值和加载温度载荷时，应注意：1）焊缝的纵向应变和横向应变对应的是ANSYS中热膨胀系数ALPX,ALPY,ALPZ中的哪一个；2）纵向应变和横向应变应是负值；3）对于不存在固有应变的单元，及存在固有应变的纵向应变和横向应变之外的第三个方向上的热膨胀系数应取值为零。4）温度载荷为单位温度载荷，即1oTC4.5.2模型的导入若直接采取Ansys11.0对叉车外门架这样的大型构件进行网格划分其工作量是十分困难的，而Ansys11.0Workbench则具有强大的几何输入功能，网格划分等前处理功能，因此采用Ansys11.0Workbench对叉车外门架进行相关的前处理将减少很大的工作量。由于Ansys11.0Workbench不支持UG文件几何模型的直接读入。为此，我在UG中先将外门架几何模型的.prt文件转换成parasolid文件格式，再将其导入到Ansys11.0Workbench的Simulation功能模块进行相关的前处理。4.5.3定义接触为了保证模拟计算外门架模型的不同片体之间实现力的传递，必须对外门架模型有接触的地方（如上横梁和挂链座的接触）定义接触。对于焊接由于焊缝处的金属经42焊接冷却后两者融合为一体，因此选择接触类型为Boned（对Boned接触程序认为片体两者接触之间摩擦阻力无限大）。图4-6外门架部分构件模型定义接触示意图4.5.4定义模型材料属性和片体厚度为了对外门架划分网格时对外门架的不同构件赋予材料属性，首先对叉车外门架模型定义材料属性，本论文是对叉车外门架的焊接变形分析属于静态力学分析，主要用到材料的属性有弹性模量E、泊松比和体现焊缝固有应变大小的材料在不同方向的热膨胀系数。由于ANSYS没有材料单位的概念，输入弹性模量E时应注意计算单位的一致，例如弹性模量的单位Mp与外门架模型的尺寸单位mm相对应。如图4-7所示：图4-7定义外门架左滑道材料属性示意图图4-8定义外门架左滑道厚度示意图43图4-9定义外门架挂链座固有应变示意图4.5.5叉车外门架有限元模型单元的选择叉车门架的结构基本上是由各种厚度的钢板焊接组合而成的三维空间结构，而且其壁厚与构件长度相比较小，因此非常适于选用空间板壳单元来离散叉车外门架，而六面体等实体单元的插值精度虽高，但是用它离散叉车外门架不仅难以划分固有应变区、划分网格、定义焊接接触，也造成模拟计算困难和计算费用的大大增加和。综上所述，为能准确反映叉车外门架的焊接变形趋势的实际情况，计算中选用ANSYS中的SHELL181单元对叉车外门架进行网格划分。SHELL181单元适合对壳体并具有一定厚度的壳体结构进行分析。它是一个4结点单元，每个结点具有6个自由度：x,y,z方向的位移自由度和绕X,Y,Z轴的转动自由度。(如果应用了薄膜选项的话，那该单元则只有移动自由度)。简并三角形选项只在该单元做为充填单元进行网格划分时才会用到。Shell181单元非常适用于大转动变形和非线性的大形变。壳体厚度的变化是为了适应非线性分析。在该单元的应用范围内，完全积分和缩减积分都是适用的。图4-10是该单元的示意图：图4-10Shell181单元示意图444.6.6叉车外门架网格的划分对机械结构进行有限元网格划分，从理论上来讲是可以任意的，但在实际工作中必须考虑到现实性及经济性，因而在划分时，必须遵循下列原则:1）所选用的单元不应使受力状态失真；2）结构的简化应确保所需的计算精度；3）尽可能利用对称性、重复性，从而压缩所需的计算机内存量，减少计算时间；4）要选择恰当的数学模型，保证计算精度，减少计算时间，降低计算费用。进行有限元划分时，首先必须明确结构分析类型，确定单元类型。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量越多，计算精度越高，但同时计算规模也会增加。所以在确定网格数量时应权衡这两个因素综合考虑。一般情况下，在静力分析时，如果仅仅计算结构的变形，网格数量可少一些，若计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格；在计算结构固有特性时，若仅仅计算少数低阶模态，可选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。17网格划分的疏密程度也随分析问题的不同而不同。对一个结构来说，划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，而计算固有特性时则应趋于采用较均匀的网格形式，这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。本论文主要计算模拟叉车外门架的焊接变形属于静力特性，因此采用较少的网格数量，采用均匀的网格密度，利用ANSYSWorkbench映射划分功能对机体进行网格划分，使网格划分更加合理些。图4-11为外门架半对称模型划网格分示意图，节点总数为11943个，单元总数为13669个。45图4-11外门架半对称模型网格划分示意图4.5.7边界约束条件和加载焊接是在自由状态下进行的，因此模拟计算时外门架的边界约束（约束施加在节点上）条件为:1）x方向的约束根据对称性取在对称截面上；2）y、z方向的约束取在滑道的下侧面的两末端上。温度载荷则加载固有应变区的单元上。（注：在对外门架加载单位温度载荷时，可先对所有固有应变区的单元定义为单元组元，以方便单位温度载荷的加载。）边界约束及单位温度载荷如图4-12所示：图4-12外门架半对称模型边界约束及温度载荷示意图4.5.8外门架焊接变形模拟计算由于焊接属于大变形非线性分析和固有应变只考虑焊接后构件的最终变形结果，因此模拟分析类型采用静态模式，选择大变形非线性分析计算，采用完全牛顿拉普森（NROPT,FULL）处理方法，如图4-13所示。图4-13外门架求解参数设置示意图46外门架焊接模拟分析主要参数如下：节点总数：11943单元总数：13669自由度总数：71658未知量总数：71615约束量总数：43外加载荷数：0ANSYS11.0模拟外门架焊接变形结果（变形结果放大20倍）如下图所示：图4-14外门架焊接总成在X方向的变形图4-15外门架焊接总成在Y方向的变形47图4-16外门架焊接总成在Z方向的变形图4-17外门架焊接总成的总变形图上述模拟外门架的焊接变形结果并没有考虑焊接装夹和外门架焊前各构件机加工误差的影响，从外门架的总变形图的分析可以知道焊接变形最大的位置在挂耳座附近，其总体变形的趋势与柳工叉车事业部提供的数据是符合的。在X方向左滑道有内凹的趋势，离中横梁越远的部位其在X方向的变形越小，其中最大变形的部位位于滑道中横梁处的下侧面，最大变形挠度为1.93mm，在Y方向外门架沿Y轴正向有凸起的趋势，其变形趋势与外门架在X方向的变形相似，其最大变形挠度（挂耳座处）为2.999mm。下面将主要对左右滑道内侧面和左右滑道上侧面的模拟焊接变形进行分析。4.6外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面变形分析4.6.1外门架左右滑道内侧面X方向变形分析48上横梁中横梁下横梁图4-18外门架简化示意图图中A,B,C,D代表柳工叉车事业部随机的检测点，其测量点的位置没有严格的要求，其中A,B点的位置位大致均部于上横梁与中横梁之间，C点位于中横梁的位置，D点大致位于中横梁与下横梁之间的中点。根据柳工叉车事业部外门架设计图纸的要求在上横梁与中横梁之间的尺寸为，中横梁与下横梁之间的尺寸为，ANSYS1.5681.5068模拟分析数据如表4-3所示：表4-3外门架滑道宽度模拟值与理论值(单位：mm)序号名称项目理论值上公差下公差模拟值模拟-理论1滑道宽度A1尺寸6581.000-1.500656.368-1.6322滑道宽度A2尺寸6581.000-1.500657.400-0.6003滑道宽度B1尺寸6581.000-1.500656.760-1.2404滑道宽度B2尺寸6581.000-1.500655.556-2.4445滑道宽度C1尺寸6581.500-0.500655.582-2.4186滑道宽度C2尺寸6581.500-0.500654.296-3.7007滑道宽度D1尺寸6581.500-0.500656.762-1.2388滑道宽度D2尺寸6581.500-0.500656.76-1.24模拟结果与理论值之差的平均值：1.6320.42.183.72.1P=-1.92mm49理论值曲线模拟分析曲线图4-19理论曲线与模拟曲线的比较示意图从模拟检测数据和模拟结果与理论值之差不难得处结论，外门架焊前不采取措施的情况下，由于叉车外门架的焊接变形过大，焊后外门架的滑道宽度尺寸已经超出了设计尺寸的要求。最大模拟结果与理论值之差为-3.2mm，这种较大的变形将使得内门架在外门架的运动受到阻碍，甚至使内门架的运动被卡死，为了保证内门架在外门架内运动时的平稳性和流畅性，焊接前有必要对外门架的左右滑道采取措施。4.6.2平行度的定义及检测方法189GB1183-80“形状和位置公差术语及定义”中指出，在给定方向上的平行度公差带的定义是给定一方向时，公差带是距离为公差值t，且平行于基准平面（或直线、轴线）的两平行面之间的区域，如图4-