重载桥式起重机板焊接主梁翼缘与腹板间焊缝应力分析

重载桥式起重机板焊接主梁翼缘与腹板间焊缝应力分析

0厚翼缘板薄边缘贴脚焊接有限元模型主梁是焊接的典型组成。焊接的设计直接影响结构的安全性能。焊接的形状和大小是焊接设计的主要内容。目前国内大吨位起重机翼缘板与腹板的连接通常采用坡口焊缝或双面贴脚焊缝,例如某550t桥式起重机偏轨箱形梁,主副腹板与翼缘的连接采用坡口焊,某450t桥式起重机主梁主副腹板与翼缘板的连接分别采用坡口焊、双面贴脚焊缝。焊缝尺寸过大,焊接变形和焊接应力大且热影响区域大易产生脆性断裂,对起重机结构影响较大,在保证焊接质量的前提下,应减小焊缝尺寸。本文以采用厚翼缘板,且比我国规范推荐值小的单边贴脚焊缝连接腹板与翼缘板的800t桥式起重机结构为研究对象,该结构较国内双翼缘焊缝不仅减少了焊接量,还避免了焊接技术员在箱形梁内腔恶劣环境下的作业,较坡口焊接减少焊接量与对腹板打破口的工艺。因此,研究此厚翼缘板薄单边贴脚焊接具有一定的工程意义。由于贴角翼缘焊缝的应力分布复杂,传统计算精度差,靠实验验证又浪费人力和财力,虽然目前正在研究的无网格高精度分析方法很多,但用于工程实际还缺乏软件支持。为了得到精确结果,有限元子模型是一种最有用的技术。JoharCiptolcusumo等采用子模型方法研究了不同形式铜结构的通孔底部的应力分布。侯澍旻等利用有限元子模型技术对铸造起重机进行了强度计算,得到焊缝强度最薄弱环节与实际情况相吻合的结果。本文借助Ansys有限元分析软件的子模型技术进行焊缝的应力分析,较精确计算了焊缝的应力,验证了厚翼缘板与腹板间设置较弱单边贴角焊缝的可行性与合理性。1传统法测量法结果对于西屋电气公司设计的800t桥式起重机板焊接主梁,额定起升载荷800t,跨度36m,正轨主梁高3543mm,宽1422mm,翼缘板厚51mm,腹板厚16mm,翼缘焊缝为8mm×8mm的单边贴脚焊缝。该翼缘板和腹板间8mm单边贴脚焊缝比国内标准推荐值小许多。本文先用传统方法进行计算,再通过用有限元子模型方法分析了焊缝应力分布,得到较精确应力分析结果。桥式起重机翼缘贴角焊缝受力复杂,标准中的传统算法只考虑其主要受的弯曲正应力和剪应力作用,即式中:Mmax为板梁计算截面的最大弯矩;y为腹板边缘到梁中性轴的距离;FS为计算截面的剪力;Sy为翼缘毛截面对中轴的静矩;Ix为梁的计算截面的毛截面惯性距;hf为焊缝宽度;[σh]为焊缝拉压许用应力,[σh]=248.6MPa;上下翼缘焊缝的等效应力为143MPa。传统计算只考虑了翼缘板与腹板的传力由翼缘焊缝完成,忽略了翼缘板与腹板接触传力及隔板传力,以及隔板与腹板连接对翼缘焊缝应力分布的影响,而有限元方法能全面考虑这些具体构造的影响。1.1整体有限元模型分析目前有限元方法为较准确的工程计算方法,分析桥式起重机主梁翼缘焊缝时,子模型的焊缝实体采用3D实体单元建模。子模型方法可以在整体模型采用板壳单元分析结果的基础上对局部结构进行细化分析。其中整体模型分析结果的准确性直接影响着子模型的应力分布。整体分析时应注重模型的简化和网格的疏密程度等。以桥式起重机主梁为整体有限元模型,采用Shell63单元。着重研究跨中翼缘焊缝强度,由圣维南原理知应力集中只对局部有影响,忽略其跨端变截面位置的圆角,改为直角。整体模型中的翼缘板与腹板直接连接,跨端简支约束,上翼缘面上作用于轨道的8个起重小车车轮轮压,各按一个作用区域均匀加载。模型分析结果如图1所示。整体模型与真实模型焊缝不同,虽无法计算焊缝应力精确值,但能显示出焊缝相应位置的应力分布,选取以对称轴为中心左右各10000mm等效应力较大的区域,分析翼缘焊缝对应位置的变化趋势。如图2所示,图中显示上下翼缘焊缝的相应位置等效应力靠近跨中时,呈上升趋势,到达跨中附近时,达到最大值分别为120MPa、124MPa。1.2网格职业模型验证整体模型结果分析精度,直接影响子模型研究区域的选取,为了验证整体模型结算结果精度,采用壳-壳子模型方法对其网格疏密程度,计算结果精度进行验证。再采用壳-体子模型方法对焊缝结构进行更精确的分析。1切割边界应力分析选取整体模型焊缝相应位置最大应力区域为子模型,采用Shell163壳单元,粗糙模型采用图1所示整体模型,分析结果如图3所示,切割边界应力比较如图4。由图4可知,子模型边界选取合理,分析结果显示上下翼缘焊缝相应位置的最大应力分别为125MPa、129MPa,上下翼缘焊缝相应位置与整体模型比较分别相差4.17%、4.03%。分析结果与整体模型基本一致,整体模型网格已经足够密,计算结果比较精确。2子模型切割边界针对板壳模型只能够分析应力的趋势,不能对局部细小的焊缝结构进行分析的问题。为了得到焊缝的应力分布情况,采用壳-体子模型将研究部分转换为实体模型,加上有限元非线性接触分析,并对焊缝部分进行网格加密,对翼缘焊缝精确分析。三维实体模型单元采用Solid95,接触单元采用Contact174,Targe169。翼缘焊缝为焊角8mm的单边贴角焊缝,子模型翼缘焊缝连接区划分为3种区域(见图5):主要关注的灰色区域(翼缘板与腹板接触并通过焊缝连接);为了避免出现应力集中设置的过渡的黄色区域(焊缝、腹板、翼缘板为一体);为了子模型与整体粗糙模型切割边界成功对接的区域(没有焊缝,腹板与翼缘板为一体)。子模型分析结果见图6,图7为其中接触分析的结果,图中显示只有上翼缘板与腹板接触。由图4可知,子模型的切割边界选择正确。由壳-体子模型的分析结果显示,最大等效应力发生在隔板与上翼缘板连接的倒角的尖角位置为260MPa,焊缝的最大等效应力发生在下翼缘焊缝上,为169MPa,位于距跨中最近的大隔板处,见图8。2上翼缘焊缝应力焊缝的最大等效应力分析结果见表1。在大隔板底部100mm×100mm倒角,焊缝应力除了受拉应力和剪应力的影响外,隔板对其影响也较大。由最大等效应力附近的120MPa变化到169MPa,可见隔板与腹板应力集中位置对焊缝的影响。而上翼缘焊缝受力更复杂,在大小隔板以及腹板与翼缘板接触的影响下等效应力为145MPa。由表1可知,该桥式起重机强度符合要求,子模型的上翼缘焊缝,在开有倒角隔板和翼缘板与腹板接触条件下,与传统计算结果相差20MPa。而下翼缘焊缝在开有倒角的隔板影响下应力达到169MPa,是传统计算的1.31倍。上下翼缘焊缝等效应力小于许用应力强度[σh],符合强度要求。3有限元模型验证了载重板梁结构弱翼缘贴角焊缝强度符合的可行性文中对翼缘焊缝进行了较全面的考虑,考虑了隔板对翼缘焊缝的影响以及腹板与翼缘板的接触,故分析出的弱贴角翼缘焊缝的应力精度较高。通过高效精确的有限元子模型方法,验证了重载