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基于热点应力法的挖掘机动臂焊缝的疲劳寿命分析

李俊  
【摘要】:挖掘机是工程土石方作业的重要机械,其工作环境比较恶劣。动臂作为挖掘机的主要部件,承受的各种载荷较大,极易发生失效。尤其是近年来随着挖掘机械向着高速化、重载化发展,动臂发生失效的风险显著增加。统计数据表明,80%以上的构件失效都是由疲劳破坏导致的,因此对构件进行疲劳研究,有助于其安全可靠的运行。挖掘机的动臂是由钢板焊接而成的箱体结构,焊接部位既是结构几何外形变化较大处,又是焊接的热影响区域,受力比较复杂,是整个动臂结构的薄弱位置。因此,对动臂的焊缝进行疲劳评定更具有实际意义。目前应用较多的疲劳评定方法有:热点应力法、名义应力法、缺口应力法及断裂力学法。针对动臂的焊缝结构,对比上述方法,本文采用热点应力法进行疲劳评定,完成的主要工作有:首先,根据挖掘机整机作业轨迹确定了四种较典型的工况,依据最不利工况选取原则,选取动臂最大受力位置工况作为本文分析计算的典型工况。运用解析法研究了动臂在典型工况下的力学特性,构建了动臂的力学模型。其次,根据动臂的结构尺寸,利用Pro/E建立了动臂的CAD模型,在ANSYS中设置了单元类型和材料属性,划分网格构建了动臂的CAE模型。确定了约束及销孔处载荷的处理方式,通过静力加载后的云图,选取典型工况下动臂焊缝上的最大应力值点作为疲劳分析的重点位置。最后,推导得到了基于热点应力的结构的S—N曲线,依据动臂的实际情况选取合适的疲劳累积损伤准则,对动臂焊缝上的最大应力值点进行了疲劳评定。通过以上工作,本文得到的结论主要有:1、对动臂进行典型工况下的加载,有限元静力分析结果:动臂的最大应力值是326.71MPa,低于动臂材料16Mn的屈服极限345MPa。说明动臂在此工况下的静强度是能够满足要求的。2、采用最小二乘法拟合热点应力集中系数,进而由结构的名义应力S—N曲线推导结构的热点应力S—N曲线是可行的。3、选取迈因纳准则作为寿命估算的计算方法,依据结构的热点应力S—N曲线,对应力较大的焊接区域内的焊缝上的最大应力值点进行疲劳寿命估算,预测结果合理,可接受。


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