方钢车架焊接残余应力评估优化与疲劳性能研究

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农用车辆主要行驶于崎岖山路,这对车辆的综合性能要求较高。车辆在使用过程中,车架作为主要承受载荷的结构,以焊接方式形成的连接接头在承载时极易出现应力集中,其与焊接时产生的残余应力共同作用,会导致着车辆的使用性能发生变化。因此,本文在弹-塑-性基本理论的基础上采用数值模拟的方法,对三轮车整体车架进行静力分析,确定危险位置区域(T型接头)并截取,在考虑和未考虑固态相变的两种条件下,对接头处的焊接过程进行数值模拟,分析焊接产生的温度场和应力场分布规律,并在此基础上,通过优化焊接路径降低焊接残余应力,最后评估考虑和未考虑焊接残余应力情况下T型接头的疲劳寿命,并对不同焊接方案下接头处的疲劳寿命进行对比分析。得出如下结论:(1)在满载工况下,车架的危险处在第三横梁与纵梁连接处和主副车架的连接处,但仍在材料可承受强度范围内。(2)焊接温度场的峰值出现在热源中心,其邻近区域的等温线分布较为密集,其他区域的等温线分布较为稀疏;焊缝及其邻近区域的纵向残余应力呈较大的拉应力,远离焊缝的区域为压应力;考虑固态相变后,第二、四焊段的横向残余应力降低了约10%。(3)4种焊接方案下,焊段的两端可能会出现二次加热。两次加热间隔时间越长,焊段两端沿焊缝方向的纵向残余应力降低程度越大;对于X向应力分布,不同的焊接顺序情况类似;对于Y向应力分布,反向对称焊接顺序出现2处明显的压缩应力分布区域,反向焊接顺序有较小区域的压应力分布。对焊接顺序的依赖性来说,垂直于焊缝方向的纵向残余应力较小,合理的焊接顺序可降低横向拉伸残余应力。在优先考虑降低纵向残余应力的情况下,退焊顺序为最优焊接顺序。(4)在未考虑焊接残余应力的情况下,T型接头最短疲劳实际寿命处在焊缝的拐角处,其值为5.3E5左右。考虑焊接残余应力后,4种焊接方案的最危险区域均主要分布在焊缝区域,疲劳实际寿命均在3.0E4左右,发现比未考虑焊接时小了10倍多,其中退焊顺序的危险区域的面积最小,这说明考虑焊接残余应力时疲劳寿命会更短。
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