王愚山，張驍悍，朱秋寧（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

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板焊前軸疲勞強(qiáng)度壽命分析

王愚山，張驍悍，朱秋寧
（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

摘 要：文章采用汽車結(jié)構(gòu)疲勞與可靠性設(shè)計(jì)的理論和方法，并使用焊縫疲勞強(qiáng)度分析方法，運(yùn)用疲勞分析軟件FE-SAFE對(duì)板焊前軸進(jìn)行等幅載荷作用下的綜合仿真疲勞壽命分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出該仿真分析能很好的預(yù)測(cè)斷裂位置，仿真分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，從而驗(yàn)證了該仿真壽命分析的準(zhǔn)確性，為板焊前軸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：板焊前軸；疲勞強(qiáng)度；仿真分析；疲勞實(shí)驗(yàn)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.041

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-111-03

前言

礦用自卸車行駛路面惡劣，以低速重載為主，前軸作為地盤系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件總成，有著承載、轉(zhuǎn)向等重要作用。因此，前軸的疲勞強(qiáng)度可靠性對(duì)其設(shè)計(jì)有著重要的作用。由于礦用車使用量小，故常采用板焊前軸以降低成本，但是，板焊前軸焊縫多，尤其在主銷座處，彈簧墊板處，焊縫復(fù)雜，這大大降低了板焊前軸的疲勞強(qiáng)度壽命。

圖1 板焊前軸三維模型圖

目前，對(duì)前軸的分析，大多僅限于靜強(qiáng)度的校核，或者是橋殼材料的疲勞強(qiáng)度分析，而忽略了焊縫的影響。本文依據(jù)板焊前軸不同位置處的不同應(yīng)力狀態(tài)以及焊縫類型對(duì)焊縫進(jìn)行強(qiáng)度分級(jí)，通過(guò)焊縫質(zhì)量等級(jí)S-N曲線，使用疲勞分析軟件FE-SAFE，對(duì)板焊前軸的綜合疲勞強(qiáng)度可靠性進(jìn)行分析，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1、基于FE-SAFE的橋殼疲勞壽命分析

在仿真分析時(shí)x、y、z—采用車輛前進(jìn)坐標(biāo)系，x指向車輛前進(jìn)方向，y指向前進(jìn)方向的左側(cè)，z軸豎直向上。

圖2 疲勞加載曲線

在橋殼兩板簧中心處分別施加z方向載荷，分別在左右側(cè)車輪中心處施加1、3、5、6自由度的約束，在2.5倍載荷下按正弦曲線加載，加載頻率5Hz，加載曲線按圖2所示。

在分析時(shí)將橋殼分為兩部分，一分部為受焊縫影響的疲勞分析，即焊接疲勞分析；另一部分為基于橋殼材料Q345的疲勞壽命分析。

1.1 名義應(yīng)力準(zhǔn)則方法

焊縫的疲勞強(qiáng)度和橋殼板材的疲勞強(qiáng)度均可通過(guò)名義應(yīng)力準(zhǔn)則方法進(jìn)行分析。見(jiàn)圖3.在計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度時(shí)，考慮應(yīng)力集中系數(shù)、零件尺寸系數(shù) 、表面系數(shù)Kt、平均應(yīng)力系數(shù)。

由于采用了有限元的方法進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，因此有效應(yīng)力集中系數(shù)由模型幾何和模型的應(yīng)力響應(yīng)決定。

圖3 Q345試樣S-N曲線（r=-1）

1.1.1 表面狀態(tài)系數(shù)Kt及疲勞缺口系數(shù)的確定

圖4 表面修正參數(shù)線圖[5]

1.1.2 尺寸系數(shù)的確定

1.1.3 上板Von-mises應(yīng)力與下板拉伸平均應(yīng)力的疲勞極限

圖5 極限應(yīng)力線圖

1.1.4 仿真橋殼的S-N曲線

圖6 修正后橋殼的S-N曲線

1.1.5 焊縫S-N曲線

不同的焊接接頭形式不可避免的存在應(yīng)力集中問(wèn)題，直接作用結(jié)果就是產(chǎn)生缺口效應(yīng)，不同的缺口效應(yīng)對(duì)應(yīng)不用的缺口等級(jí)，而不同的缺口等級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的疲勞質(zhì)量等級(jí)，因此不同的焊接接頭的疲勞質(zhì)量就可以用缺口效應(yīng)來(lái)評(píng)定。目前，國(guó)際上有關(guān)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)大多采用質(zhì)量等級(jí)S-N曲線確定焊接接頭的疲勞質(zhì)量。所有級(jí)別的S-N在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中相互平行，各疲勞曲線具有97.7%的存活率[4]。板焊前軸如圖9.A主銷支座處為角焊縫，受拉應(yīng)力作用，焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，焊后熱處理去殘余應(yīng)力，由BS7608可知，該處焊縫缺口效應(yīng)為中弱缺口效應(yīng)，選如圖7.中S-N曲線C；B處焊縫為坡口焊縫加角焊縫，焊縫均勻，無(wú)殘余應(yīng)力，實(shí)際工況下所受的應(yīng)力幅值較小，缺口效應(yīng)為因此選如圖7.中S-N曲線B。

N—總壽命；

S—名義應(yīng)力的幅值；

K0—焊縫特征參數(shù)；

m—焊縫S-N曲線斜率，對(duì)于軋制或擠壓型材，邊緣經(jīng)機(jī)械加工，無(wú)縫鋼管m=5，其余結(jié)構(gòu)鋼m=3；

△—焊縫疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

d—正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)偏差的分位點(diǎn)。

圖7 BS7608標(biāo)準(zhǔn)下的焊縫S-N曲線[5]

2、橋殼疲勞試驗(yàn)

橋殼疲勞試驗(yàn)的邊界條件按QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行設(shè)置。

3、分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 仿真分析結(jié)果

圖9 FE-SAFE疲勞分析結(jié)果

表1 仿真分析結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4、結(jié)論

通過(guò)本次設(shè)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

（1）理論分析的疲勞裂紋出現(xiàn)位置與試驗(yàn)結(jié)果吻合，可以較好的預(yù)測(cè)斷裂位置和壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)與成熟產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析進(jìn)而確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)接近，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度大。疲勞壽命數(shù)據(jù)分散的原因很多，材質(zhì)本身的不均勻性、試樣加工質(zhì)量及尺寸差異、試驗(yàn)載荷誤差、試驗(yàn)環(huán)境(溫度、濕度)、焊接接頭材料組織性能變化、焊接缺陷和殘余應(yīng)力的影響及其他因素，都會(huì)引起試驗(yàn)壽命的分散。

參考文獻(xiàn)

[1] 李舜酩.劉獻(xiàn)棟.汽車底盤現(xiàn)代設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2013.

[2] 秦大同謝里陽(yáng)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).疲勞強(qiáng)度與可靠性設(shè)計(jì).北京[M]:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[3] 米承繼谷正氣伍文廣陶?qǐng)?jiān)梁小波彭國(guó)譜. 隨機(jī)載荷下礦用自卸車后橋殼疲勞壽命分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012.

[4] 張彥華焊接強(qiáng)度分析[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,2011.

[5] Fatigue design and assessment of steel structures[S]. British Standard Institution，1993.

Fatigue Strength Reliability Analysis of Welding Front Axle of Mining Dump Truck

Wang Yushan, Zhang Xiaohan, Zhu Qiuning
( Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201 )

Abstract:This paper use the car structure fatigue and reliability design theory and method, andWeld Fatigue Strength method. Fatigue analysis software is used to evaluate the plank and weld life. The fatigue life under constant amplitude loading simulation and experimental results were analyzed, at the same time, considering the fatigue strength of survival rate and weld fatigue life. It is concluded that the simulation can predict the fracture location well and is close to experimental data to validate the simulation has a certain accuracy.

Keywords:Welding Front Axle; Fatigue Strength; The Simulation Analysis; Fatigue Test

作者簡(jiǎn)介：王愚山，就職于陜西漢德車橋有限公司。

中圖分類號(hào)：U467.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-111-03