基于SYSWELD的新型动臂构件焊接工艺仿真优化.pdf
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1、2023年 第9期 热加工52焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g基于SYSWELD的新型动臂构件焊接工艺仿真优化张晋刚,刘世权,朱海涛,李德明山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272000摘要:动臂是推装机前工作装置的重要构成部分,主要为焊接结构。针对某新型产品的设计开发,引入SYSWELD虚拟仿真技术对动臂的焊接工序进行模拟及优化,得到可行结果后再采取物理样机进行验证。在创新了工艺开发手段的同时,减少了物理试错和前期开发成本,最后市场验证后按批量工艺保证能力进行量产化推进。采取理论与实际相结合的方式,从全流程进行分析验证研发制造过程,为方法论引入企业生产流程提
2、供了一种全新思路。关键词:动臂构件;焊接仿真;工艺优化;样机验证1 序言近年来随着一体化技术的应用,工程机械产品逐渐向功能复合化、智能化方向发展。我公司推装机就是综合了履带式适应性强和轮式灵活性优点于一身的新型产品,同时具备推土机和装载机的功能,满足了复杂工况的需求。在其结构件中有工作使用的关重件动臂,由于功能作业要求,动臂是两端敞开式结构,环形焊缝填充量大,容易产生应力集中和焊接变形,同时由于履带式的抓地力强,动臂要比传统轮式装载机的受力更大、更复杂,利用传统经验很难精确获取动臂焊后的变形及应力情况,若直接采取样机试验验证,则开发周期长、成本高,同时制造风险大。随着计算机技术和仿真算法的发展
3、完善,采用数值模拟的方法可预测焊接结构的温度场、应力场和焊后变形等,能够节省大量人力、物力和财力,已经成为智能化生产制造技术的关键环节之一。曾有学者采取ANSYS、SYSWELD工具对地铁牵引梁、地铁底架枕梁、压滤机滤框及汽车车身等结构的焊接变形进行数值模拟与仿真应用研究1-3,但在工程机械领域针对大型复杂结构件的研究较少,缺乏能直接指导企业实际生产的应用案例。本文是在作者分析推土机产品台车架4、车架5等工程机械部件模拟仿真指导生产的经验基础上,针对推装机动臂进行的又一次仿真探索。2 推装机动臂结构推装机动臂结构如图1所示,主要构件包括动臂主体侧板、中间横梁、液压缸安装座、轴套加强板及脚踏板等
4、,构件材质分别为Q460C钢、Q355钢。横梁采取热轧圆钢管,壁厚为28mm,两端为机械加工的26mm45坡口,其他板材厚度为12第一作者:张晋刚,高级工程师,一号主机厂总经理,E-mail:。图1推装机动臂结构2023年 第9期 热加工53焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g60mm。制造工艺流程为先组对、焊接、加工中间横梁合件,同时在主体侧板上进行轴套加强板的定位焊组对,然后把横梁合件与主体侧板合件进行组对,定位焊工艺筋(80mm圆钢管),考虑到动臂向内侧收缩的趋势,在组对时增加单边3mm反变形收缩余量。3 模拟仿真分析与验证3.1 仿真模型建立为 验 证 新
5、产 品 工 艺 流 程 的 优 选 性,采 取SYSWELD仿真软件对结构进行仿真。根据产品结构,结合热弹塑性法、热循环法和固有应变法三种仿真方法的应用场景,考虑本次仿真主要关注点为工件的变形、应力情况,同时考虑仿真精度及计算工作量等,最终采取固有应变法进行本样件的仿真。其主要原理是采取典型接头的焊接进行热弹塑性法焊接变形数据库的提取,提取的位置是焊缝中间位置的一个截面的所有节点,通过求得该截面所有节点的平均曲线值,然后将其应用在大型工件焊接仿真中。将动臂的三维模型通过网格划分工具Visual-Mesh导入,为保证计算精度,模型采用六面体网格,网格平均大小10mm,最小5mm,网格共计3939
6、06个,焊缝共计50条,网格划分如图2所示。同时两根工艺筋只做刚性支撑,在整体焊后600s进行释放,不计入工件网格仿真部分。过Unconnect Edge连接,从而大大减少网格处理时间。3.2 工艺参数设定通过软件中的焊接顺序管理器设置焊接顺序、夹持顺序和释放顺序。根据变位机支撑、定位及夹持点位置进行工装夹具模型的创建和设置,并根据现场人工焊接模式进行设定,考虑到Q460C钢为动臂主体侧板的材质,为减少钢材的过热倾向,获得较好的焊后抗疲劳、低温韧性和焊缝外观质量,根据材料化学成分及力学性能,并参照CE(IIW)和冷裂敏感指数Pcm,制定了针对性的焊接参数,见表1。表1Q460C钢焊接参数层道焊
7、接电流/A电弧电压/V气体流量/(L/min)焊接速度/(cm/min)层间温度/打底焊 24028025302036100150填充焊 30034030352540盖面焊 28032028322542根据相关焊接热源模型的求解路径及加载配置算法研究成果6-9,采取三维高斯双椭球的动态焊接热源模型,并结合现场Ar-CO2二元混合气体保护的电弧焊焊接参数实际对热源模型参数(尺寸)进行配置,使之与焊接工艺中几何形状吻合,具体校验热源模型参数设置见表2。双椭球热源模型如图4所示。设置完毕后,采取非线性、热学耦合求解器进行计算,并利用云图进行应力应变的结果输出和直观显示。表2热源模型参数设置双椭球热源
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