随着国家新基建政策持续推进,液压挖掘机在各种工程中的应用越发广泛。挖斗是挖掘机工作装置中的主要承载件,作为任务执行终端直接与物料接触,其对整机工作性能有着重要影响。在长期服役过程中,由于工作环境的复杂多样,尤其某些极端工况下,挖斗易在设计寿命前发生早期损坏与失效。另外,挖斗各组件间主要以焊接的方式连接,焊后工件上较大的残余应力与焊接变形除对装配造成困难外,也会严重影响其使用寿命。因此,对挖斗整体结构的力学分析及焊后残余应力与变形的评估具有重大意义。本文采用有限元方法,通过ANSYS Workbench软件对某型号挖掘机挖斗整体结构受力进行仿真模拟,对比分析了多种工况下挖斗的应力及变形规律;同时,采用MSC.Marc有限元软件,以挖斗支耳组件为对象建立焊接仿真有限元模型,探讨了焊接顺序、焊缝间冷却时间、边界约束及几何尺寸等因素对焊接残余应力分布及焊接变形的影响。研究结果表明:挖斗常规工况下斗齿的安全系数可达1.83,满足强度设计要求,而外载荷的偏置与集中易导致挖斗应力与变形的激增,极端工况下斗齿应力值会超过材料屈服强度。根据不同载荷方式的对比,斗齿下齿面与侧齿面,即相对应挖斗在前推与发生侧向碰撞时对外力更为敏感。不同工况下挖斗应力及变形均随外载荷的增加近似线性增大,且偏载工况的增长率相对较大,易导致挖斗边齿及支耳等受力薄弱区发生早期失效与断裂,该结果与实际工况反馈的结构失效案例一致。在支耳焊接方面,挖斗耳板主焊缝上残余应力峰值位于各焊缝的弧焊段,通过对焊接顺序的优化,纵向残应力峰值可整体降低约15%,弓形板上的变形量也有大幅下降。随着焊缝间冷却时长的延长,焊缝上纵向残余应力峰值在约300 s后最多可降低37%,设置冷却时间在100 s～150 s内可在保障焊接效率的同时大幅降低焊缝上的残余应力。支耳侧边约束在有效控制弓形板焊接变形的同时也会增大焊缝上的残余应力,底板约束面积则与焊接残余应力正相关,与焊接变形负相关,控制约束面积在50%～60%之间,可以更好地兼顾支耳焊接残余应力与变形的大小。最后,针对挖斗支耳的简化模型进一步研究表明,以合并焊道法分析多层多道焊接过程对焊接残余应力与变形的整体趋势没有明显影响,且在节约大量前处理时间的同时使模型计算效率提高了45%。原焊缝坡口角度增大10°后焊缝表面残余应力降低了24%,但焊缝收缩变形相应增大了22%。沿焊接方向的残余应力随焊缝长度增加而逐渐增大,支耳简化模型可在焊缝长度最多减少为原模型的1/3时保持与其一致的应力规律。支耳不同位置焊缝间相互的热作用会导致焊缝被二次加热温度的不同,并最终影响焊缝上残余应力的大小。因此,在挖斗支耳结构设计和优化中可通过调整两耳板的厚度及距离,充分利用不同焊缝间的热影响达到有效降低焊接残余应力的目的。该论文有图88幅,表11个,参考文献89篇。