【導(dǎo)讀】徐工挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與焊接工藝。由于挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)期處于動(dòng)載荷狀況下工作.且工況極其復(fù)雜.因此對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。件de抗沖擊性、抗疲勞性要求極高.而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)de合理性直接影響著挖掘機(jī)de整機(jī)性。能.徐工挖掘機(jī)整機(jī)性能de提升需對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化.需對(duì)挖掘機(jī)de各種使用工況。進(jìn)行模擬受力分析.特別是對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件de受力進(jìn)行分析.最終使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為合。材料de選用直接影響著挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件de力學(xué)性能和制造成本.不同結(jié)構(gòu)件受力狀。合氣體de比例.焊接參數(shù)de匹配直接影響著焊縫及母材de強(qiáng)度、塑性、韌性及內(nèi)部組。大小、不同de材質(zhì).需要制定一個(gè)合理de焊接參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)焊接工人de操作.挖掘機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件焊縫等級(jí)de規(guī)定、結(jié)構(gòu)件不同部位焊縫質(zhì)量de要求、焊縫表。2基于Pro/Ede挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真與受力分析。挖掘機(jī)de工作裝置主要是由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗和三個(gè)為之提供動(dòng)力de驅(qū)動(dòng)液壓。機(jī)構(gòu)變形情況顯示。機(jī)構(gòu)等值應(yīng)力云圖顯示。成一個(gè)能夠運(yùn)動(dòng)de實(shí)

　　

【正文】 及目 de 通過(guò)本研究工作 .對(duì) 挖掘機(jī)結(jié)構(gòu) 焊接過(guò)程產(chǎn)生 de 應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬 .利用模擬分析方法 .對(duì)焊接過(guò)程 de 熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè) .本研究中有限元模擬計(jì)算 de 工作主要擬解決以下幾個(gè)問(wèn)題： 首先 .如何模擬焊接熱源 de 移動(dòng)問(wèn)題； 其次 .材料物理性能參數(shù)隨溫度變化問(wèn)題 .即材料非線性問(wèn)題； 再次 .用生死單元模擬熔池金屬 de 熔化問(wèn)題； 最后 .有效 de 模擬三維焊接熱應(yīng)力 de 殘余應(yīng)力 de 演化過(guò)程 .準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊后殘余應(yīng)力應(yīng)變 . 通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生 de 溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及焊后 de 殘余應(yīng)力進(jìn)行三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬 de 研究 .并通過(guò)實(shí)例計(jì)算 建立可行 de 三維焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形 de 動(dòng)態(tài)模擬分析方法 .使三維焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形分析方法系統(tǒng)化 .為復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行三 維焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形 de 分析提供 理論依據(jù)和指導(dǎo) .同時(shí) 促進(jìn)有限元分析技術(shù)在焊接力學(xué)分析以及工程中 de 應(yīng)用 . 基于 ANSYSde 焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力 場(chǎng) de數(shù)值模擬研究 ANSYS 軟件是一個(gè)大型、通用 de 有限元軟件 .其融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等分析為一體 .根據(jù)焊接過(guò)程 de 特點(diǎn) .可以知道焊接 過(guò)程 溫度場(chǎng)分析 是 屬于瞬態(tài)熱分析范疇 .其應(yīng)力分析則屬于熱 力耦合分析 .焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng) de 模擬就是運(yùn)用其熱、結(jié)構(gòu)及二者 de 耦合分析功能進(jìn)行計(jì)算 de. 徐工挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與焊接工藝技術(shù)研究方案 20 基于 ANSYSde 焊接過(guò)程模擬工作主要包括 建模 、 邊界條件 de 處理 、 確定移動(dòng)熱源 、 確定載荷步 和 溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng) de 求解 等 過(guò)程： 建模 包括建立幾何模型、確定材料 de 特性參數(shù)、確定單元類型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分等 . 幾何模型 de 確定 幾何模型 de 形狀不僅由焊件 de 形狀、尺寸大小決定 .還取決于載荷施加 de 方式和熱源在焊件內(nèi) de 傳導(dǎo)方式 .如在移動(dòng)熱源條件下 .對(duì)于薄板對(duì)接焊 .當(dāng)忽 略厚度方向溫度場(chǎng)分布時(shí) .可將模型簡(jiǎn)化成二維平面模型；但是對(duì)于堆焊 .厚度方向溫度場(chǎng)分布不均勻 .則需建立三維模型 .而對(duì)于對(duì)稱、反對(duì)稱或軸對(duì)稱 de 焊件結(jié)構(gòu) .建模時(shí) .盡量運(yùn)用其對(duì)稱性來(lái)簡(jiǎn)化模型 . 另外 .考慮到中厚板三維模型網(wǎng)格劃分后其單元數(shù)量龐大 .使得計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；材料物理參數(shù) de 嚴(yán)重非線性導(dǎo)致求解過(guò)程收斂困難；焊接過(guò)程影響了數(shù)值模擬 de 精度等諸多因素 .需對(duì)分析模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理（如減少模型尺寸） .并可作如下假設(shè)： （ 1） 焊件 de 初始溫度為室溫（ 20℃ ）； （ 2） 忽略熔池內(nèi)部 de 化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對(duì)流等現(xiàn)象； （ 3） 焊接以恒定速度 V 進(jìn)行 .電弧 de 能量密度服從高斯分布； （ 4） 不考慮焊件與試驗(yàn)臺(tái)直接 de 熱傳導(dǎo) .假設(shè)焊件 de 外界僅與空氣發(fā)生對(duì)流換熱 .將輻射熱 de 影響耦合到對(duì)流換熱中 .而不作單獨(dú)考慮； （ 5） 忽略焊條與母材材料 de 不一致性 .對(duì)應(yīng)統(tǒng)一 de 隨溫度變化 de 熱物性參數(shù) . 定義 材料 de 特性參數(shù) 由于焊接溫度場(chǎng) de 模擬計(jì)算屬于非線性瞬態(tài)熱分析 .所以需給定隨溫度變化 de 熱物理性能參數(shù) .如：導(dǎo)熱系數(shù)（ W/m.℃ ）、 密度（ Kg/m3）、比熱容 C(J/kg.℃ )、熔點(diǎn)（ ℃ ）以及焊件 de 初始溫度（ ℃ ） .一般高溫時(shí) de 物理性能參數(shù)比較缺乏 .但它 對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大 de 影響 .可采取實(shí)驗(yàn)和插值等方法獲得 . 確定單元類型 、劃分網(wǎng)格 單元類型決定了單元 de 自由度以及單元在二維空間還是三維空間 .在實(shí)際選用單元類型時(shí)需要考慮以下兩個(gè)方面 de 內(nèi)容：首先需要確定自由度是否相容 .根據(jù)自由度de 不同可選擇 de 單元有線、面或三維實(shí)體 de 單元種類；其次還需要決定采用線形、四面體或 P 單元 .在中厚板 de 焊接分析中 .單元確定還要考慮到以下幾個(gè)因素：首先對(duì)于研究對(duì)象中 de 中厚板就不得不考慮 Z 向變化 de 情況 .單元必須為三維實(shí)體單元；其次要進(jìn)行熱分析；最后所用單 元還應(yīng)能夠進(jìn)行瞬態(tài)非線性分析 . 在焊接過(guò)程中 .由于高度集中 de 熱源輸入 .焊縫處 de 溫度梯度變化很大 .網(wǎng)格劃分徐工挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與焊接工藝技術(shù)研究方案 21 應(yīng)較為細(xì)密以提高計(jì)算精度 .而遠(yuǎn)離焊縫 de 區(qū)域 .能量傳遞緩慢 .溫度分布梯度變化相對(duì)較小 .這時(shí)網(wǎng)格可逐漸劃分 de 比較稀疏以減少整個(gè)模型 de 節(jié)點(diǎn)數(shù) .進(jìn)而縮短計(jì)算時(shí)間 .總之 .在保持精度 de 同時(shí)盡可能 de 減少網(wǎng)格 de 數(shù)量 . 邊界條件 de 處理 包括建立幾何約束條件、環(huán)境條件 de 處理 .焊接溫度場(chǎng) de 計(jì)算屬于瞬態(tài)熱分析 .需設(shè)定初始溫度 .初始溫度取決于焊接過(guò)程中 de 介質(zhì)溫度 .在空氣中焊接時(shí) .初始溫度應(yīng)設(shè)為室 溫 .焊接與周圍介質(zhì) de 對(duì)流換熱通常會(huì)損失一部分熱量 .但對(duì)于在空氣流動(dòng)較小de 情況下 .對(duì)流換熱系數(shù)很小 .所以對(duì)流換熱對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎沒(méi)有影響 .可將其忽略 . 確定移動(dòng)熱源 對(duì)于大部分焊接而言 .焊接熱源是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程 de基本條件 .由于焊接熱源 de局部集中熱輸入 .致使焊件存在十分不均勻、不穩(wěn)定 de 溫度場(chǎng) .進(jìn)而導(dǎo)致焊接過(guò)程中和焊后出現(xiàn)較大 de 焊接應(yīng)力和變形 .因此 .焊接熱源模型是否選取適當(dāng) .對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力變形 de 模擬計(jì)算精度 .特別是在靠近熱源 de 地方 .會(huì)有很大 de 影響 .為了正確描述焊接熱循環(huán)過(guò)程 .在焊接過(guò) 程 de 數(shù)值模擬研究中 .人們提出了一系列 de 熱源計(jì)算模式 .如Rosonthalde 解析模式、高斯函數(shù)分布 de 熱源模型、半球狀熱源模型和橢球形熱源模型以及雙橢球形熱源模型等等 .各熱源模型具有一定 de 適用條件 .分析時(shí)可根據(jù)實(shí)際焊接過(guò)程選擇合適 de 計(jì)算模式 .如對(duì)于手工電弧焊、鎢極氬弧焊等焊接方法 .采用高斯分布 de 函數(shù)就可以得到比較滿意 de 結(jié)果；對(duì)于電弧沖力效應(yīng)較大 de 焊接方法 .如：熔化極氬弧焊或激光焊接 .常需要采用雙橢球形熱源分布函數(shù) . 同時(shí)三維焊接熱源形式 de 正確加載關(guān)系到多項(xiàng)參數(shù) de 選擇和考慮 .包括：對(duì)流系數(shù)、 焊接速度、電弧有效加熱半徑以及具體熱載荷數(shù)值 de 計(jì)算等幾個(gè)方面 . 確定載荷步 包括加熱過(guò)程中 de 載荷時(shí)間步長(zhǎng)及冷卻過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)處理 . 溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng) de 求解 通過(guò)前面 de 準(zhǔn)備工作 .接下來(lái)就是對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) de 求解過(guò)程 . 需要說(shuō)明 de是由于焊接屬于大應(yīng)變問(wèn)題 .設(shè)定分析選項(xiàng)時(shí) .須將 NLGEOM置為 ON.此外 .采用 Full NewtonRaphson（牛頓 拉普森）方法進(jìn)行平衡迭代并激活自適應(yīng)下降功能、打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)加快計(jì)算收斂 . 另外 .焊接過(guò)程中 .實(shí)際熔池區(qū) de 金屬 屬于熔化狀態(tài) .即進(jìn)入零力學(xué)性能狀態(tài) .其所有 de 應(yīng)力應(yīng)變將消失 .對(duì)此 .采用生死單元 de 方法 .在每一步熱應(yīng)力計(jì)算時(shí) .將對(duì)應(yīng) de 溫度場(chǎng) de 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇 .超過(guò)熔點(diǎn) de 單元令其“死掉” .而低于熔點(diǎn) de 單元將其“激徐工挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與焊接工藝技術(shù)研究方案 22 活” . 挖掘機(jī)焊接結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力和殘余應(yīng)力分析 在 ANSYS 環(huán)境下對(duì)中厚板焊接過(guò)程進(jìn)行有限元仿真 .分別從幾何模型 de 建立、材料特性參數(shù)確定、單元類型和網(wǎng)格劃分、焊接 de 熱源模型以及求解計(jì)算等幾個(gè)方面分析 .建立合適 de 有限元模型 .可 以成功模擬給定焊接條件下 de 瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) de分布情況 . 通過(guò)溫度 場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可對(duì)不同時(shí)刻 de 焊接溫度場(chǎng)分布情況以及不同點(diǎn) de 熱循環(huán)曲線進(jìn)行分析 .同時(shí)可分析焊接過(guò)程中焊件上不同時(shí)刻 de 應(yīng)力變化規(guī)律和殘余應(yīng)力 de變化 .以及殘余應(yīng)力 de 分布規(guī)律 .也可用動(dòng)畫(huà)顯示技術(shù)查看焊件在整個(gè)焊接過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變等 de 動(dòng)態(tài)變化過(guò)程 . 通過(guò)運(yùn)用數(shù)值模擬方法 .對(duì)焊接熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力等 de 變化過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè) .可為后續(xù) de 焊接接頭 de 強(qiáng)度、疲勞及裂紋等問(wèn)題 de 研究打下基礎(chǔ)；焊接溫度場(chǎng) de 分析也可為后續(xù) de 焊接過(guò)程和焊后顯微組織 de 分析做前提 de 條件 .此外 .可將各種焊接形式de 模擬計(jì)算程序進(jìn)行封裝 .建 立 一套焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形 de 數(shù)值模擬系統(tǒng) .通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指導(dǎo)實(shí)際工作和生產(chǎn) .促進(jìn)焊接過(guò)程模擬技術(shù)在工程中 de 應(yīng)用 .