工程預測焊點(diǎn)疲勞壽命
- 2016-04-27 13:17:00
- Peter J.Heyes, Mikael 原創(chuàng )
- 8412
在汽車(chē)工業(yè)中，點(diǎn)焊被廣泛地用于零部件和結構的制造。點(diǎn)焊構件的耐久性主要取決于焊點(diǎn)的疲勞強度。在一條生產(chǎn)自動(dòng)線(xiàn)上裝備一個(gè)焊點(diǎn)的點(diǎn)焊機械裝置可能需要30萬(wàn)美元，為了補救某一問(wèn)題而必須在生產(chǎn)時(shí)再增加一個(gè)點(diǎn)焊裝置，其費用可能不止2倍。如果我們能在設計的早期預測焊點(diǎn)的疲勞壽命，那么顯然這些費用可以降到最低點(diǎn)。更有意義的是，它也有助于縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
Smith和Cooper用斷裂力學(xué)方法研究過(guò)受剪切載荷焊點(diǎn)的疲勞壽命預測問(wèn)題。他們指出：“一個(gè)焊點(diǎn)也許可以被認為是一個(gè)外表面有一環(huán)向深裂紋的實(shí)心圓棒，當這一圓棒受一個(gè)Ⅰ—Ⅱ復合型載荷時(shí)，它會(huì )在最大的局部Ⅰ型方向產(chǎn)生分叉裂紋并擴展”。他們說(shuō)明了根據計算的裂紋擴展速率可以較好地預測焊點(diǎn)的疲勞壽命，并用他們的計算結果作出一些簡(jiǎn)單的設計曲線(xiàn)。Smith和Cooper所建議的方法基于對簡(jiǎn)單受剪搭接接頭的有限元模擬，這種方法需要進(jìn)一步的發(fā)展才能用于其它不同的焊點(diǎn)型式，處理變幅異相復雜載荷。發(fā)展的結果可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的專(zhuān)門(mén)針對焊點(diǎn)的規范，按照英國標準BS7608的方法，給出適用于不同點(diǎn)焊類(lèi)型的載荷—壽命曲線(xiàn)族。
事實(shí)上，關(guān)聯(lián)不同加載條件下焊點(diǎn)的疲勞強度，載荷是一個(gè)相當糟糕的參量。Raji和Sheppard提到，不同型式受不同載荷的焊點(diǎn)，它的疲勞耐久性能夠通過(guò)分析板內焊點(diǎn)周邊的局部應力得到更好的理解，這一局部應力指的是焊點(diǎn)附近的結構應力。Rupp等人描述了如何計算這些結構應力。他們根據最大應力、最小應力和一個(gè)載荷譜對焊點(diǎn)的疲勞壽命進(jìn)行了預測。本文介紹的技術(shù)類(lèi)似于Rupp等人的工作，不同的是進(jìn)一步地將結構應力計算與應力縮放、疊加以及應用瞬態(tài)有限元分析結果等方法結合起來(lái)。下面將先介紹軟件的技術(shù)細節，然后給出兩個(gè)說(shuō)明簡(jiǎn)例。
1方法概述
方法要求將焊點(diǎn)模擬成為MSC/NASTRAN中的剛性梁?jiǎn)卧?；?jīng)這些梁?jiǎn)卧獋鬟f的力和力矩被用來(lái)計算結構(名義)應力，這些應力為圍繞焊點(diǎn)熔核和連接板的局部應力；按照S—N總壽命方法，用這些結構應力預估焊點(diǎn)的疲勞壽命。
軟件系統由一些經(jīng)過(guò)修改的MSC/FATIGUE模塊組成，它的核心為焊點(diǎn)疲勞分析器SPOTW，圖1表示了這一軟件的框架。該系統當前只支持兩板焊點(diǎn)的疲勞計算。焊點(diǎn)應當用連接兩板中面且垂直于這兩個(gè)中面的剛性梁表達，而板用位于板中面的殼單元模擬。焊點(diǎn)的長(cháng)度因此是板厚之和的一半。焊點(diǎn)附近的網(wǎng)格不需要做任何細化，對殼單元的唯一要求是它們能將正確的力傳至剛性梁。事實(shí)上，使用大尺寸的殼單元(大于2倍的熔核直徑)似乎能獲得最好的結果，即最實(shí)際的連接剛度。
軟件的使用方式與標準的MSC/FATIGUE類(lèi)似。通過(guò)填一組表格創(chuàng )造一個(gè)作業(yè)文件，這個(gè)文件包含了焊點(diǎn)的直徑、板厚和疲勞性能參數信息。有一個(gè)解讀器讀這個(gè)文件，從MSC/PATRAN數據庫中抽出所有的有關(guān)數據，寫(xiě)到一個(gè)中間文件中去。焊點(diǎn)分析器根據這個(gè)中間文件以及所需的載荷信號和疲勞性能數據，對每個(gè)焊點(diǎn)做壽命預測。最后輸出2個(gè)計算結果文件，其中的一個(gè)文件為MSC/PATRAN的可讀文件。下面將給出有關(guān)疲勞計算的一些細節。
圖1焊點(diǎn)疲勞分析系統框圖
2.1結構應力計算
一個(gè)典型的焊點(diǎn)如圖2所示。陰影部分為焊核，在有限元分析中，它被模擬成一個(gè)剛性梁?jiǎn)卧?，連接兩塊板的中面。梁?jiǎn)卧拈L(cháng)度為0.5(s1+s2)，其中s1和s2分別為板1和板2的厚度。點(diǎn)3位于焊核中心線(xiàn)兩塊板的接觸位置，離點(diǎn)1的距離為0.5s1。所有的力和彎矩按圖示的梁?jiǎn)卧鴺讼等 ?nbsp;
圖2典型焊點(diǎn)示意圖
圖3
對于點(diǎn)1，板中內表面的等效應力為熔核周向位置角的函數，可寫(xiě)成
σv1=-σmax(Fx1)cosθ-σmax(Fy1)sinθ+σ(Fz1)+σmax(Mx1)sinθ-σmax(My1)cosθ(1)
σ(Fz1)=0(Fz1≤0)(5)
即只有熔核軸向力中的拉伸分量對損傷有貢獻
(這一常數作為對彎曲應力梯度影響的補償)；d為熔核直徑。所有的長(cháng)度單位為mm；力的單位為N；力矩單位為N*mm。 點(diǎn)2的結構應力計算方程和點(diǎn)1基本類(lèi)似，不再重復。
熔核中的應力計算有點(diǎn)不同。Rupp等人建議每隔10°計算多個(gè)平面上的正向應力，即用基于應力的臨界面方法，這意味著(zhù)對于每個(gè)焊核需要進(jìn)行648(36×18)次計算。顯然，這種方法計算量非常大?？紤]到焊點(diǎn)一般不會(huì )因裂紋擴穿熔核而引起失效，除非焊核直徑與板厚相比很小，焊點(diǎn)的主要失效模式是裂紋穿透金屬板。筆者使用了兩種快速方法：一是忽略熔核失效的可能性；二是用MSC/FATIGUE中常用的絕對值最大主應力作為損傷參量，這種方法只需要做36次計算，其計算式為
τ=τmax(Fx3)sin2θ+τmax(Fy3)cos2θ(8)
σ=σ(Fz3)+σmax(Mx3)sinθ-σmax(My3)cosθ(9)
σ(Fz3)=0(Fz3≤0)(13)
(15)
2.2材料性能
軟件系統需要一組載荷比R=0條件下的S—N曲線(xiàn)，分別對應于焊核和金屬板。另外也需要平均應力敏感度系數和標準差參量。這些S—N曲線(xiàn)為專(zhuān)門(mén)的焊點(diǎn)S—N曲線(xiàn)，與常規的母材材料S—N曲線(xiàn)截然不同。這些S—N曲線(xiàn)的數學(xué)式可表示為
ΔS=SRI1(Nf)b1(16)
式中，SRI1(應力范圍截距)和b1(斜率)均為材料常數。上式適用于失效循環(huán)周數Nf小于過(guò)渡壽命Nc1的情況。如果Nf>Nc1，那么應該用第二斜率b2。對于每一個(gè)循環(huán)，平均應力可按下式修正，即計算R=0時(shí)的等效應力幅度
(17)
Rupp等人描述了對應于鋼板和焊核的通用S—N曲線(xiàn)，數據有一個(gè)相當寬的分散帶，部分反映了這些數據代表了多種鋼板中的焊點(diǎn)，既有中強鋼也有高強鋼。如果只對某一特定材料，分散帶可能會(huì )窄一些。
2.3損傷計算
損傷計算在兩塊板和焊核中沿著(zhù)焊點(diǎn)的周向以10°的間隔進(jìn)行，因此，對于每個(gè)焊點(diǎn)，共108個(gè)疲勞計算。通過(guò)靜態(tài)放大疊加一組靜態(tài)載荷結果，或通過(guò)瞬態(tài)有限元分析計算力和力矩；使用上面介紹的公式從力和力矩中計算每個(gè)計算點(diǎn)的有效應力變化；然后用雨流循環(huán)計數技術(shù)獲得范圍—均值直方圖；最后根據直方圖及Miner損傷累積規則計算疲勞損傷。結果輸出為兩個(gè)文件：一個(gè)是MSC/PATRAN 2.5 .els文件，用MSC/PATRAN可以對它進(jìn)行后處理；另一個(gè)為ASCII文件，它包含了更為詳細的結果，可用SPOTW進(jìn)行后處理。
本文描述的方法計算量較大，計算時(shí)間基本上和載荷譜中的數據點(diǎn)數目成比例，因此，有效地過(guò)濾載荷輸入能夠節省大量計算時(shí)間。
3計算簡(jiǎn)例
3.1實(shí)驗室用試件
圖4H型實(shí)驗室點(diǎn)焊試件
圖5H型試件有限元模型
這些試件的載荷—壽命曲線(xiàn)用上面介紹的分析軟件進(jìn)行預測。計算所用的焊點(diǎn)S—N曲線(xiàn)為ST1403材料的焊點(diǎn)曲線(xiàn)，其板厚介于0.66～2.5 mm之間，焊點(diǎn)熔核的直徑變化范圍為3.5～6.5 mm。圖6比較了試驗和計算結果，計算結果對應于3個(gè)不同的成活率。
圖6計算結果與試驗結果比較
圖7焊點(diǎn)極坐標損傷圖
圖8T型梁試件的有限元模型
它由厚度為1和0.8 mm的薄板組成。該梁的有限元網(wǎng)格如圖8所示，梁的兩端固定，在垂直端受x和z方向的載荷。表1列出了3種加載情況下的試驗結果和分析結果。分析中我們同樣使用LBF給出的焊點(diǎn)通用S—N曲線(xiàn)。
上面的分析比較表明，試驗結果與分析結果的關(guān)聯(lián)似乎是合理的，分析結果比試驗結果要保守一些。
表1T型梁試件的預測壽命和試驗結果比較
載荷(N) 試驗壽命(循環(huán)周數) 預測壽命(循環(huán)周數)
F(x)變幅=157.5 R=0.1 460 000 536 300
F(z)變幅=503 R=-1 70 000 35 024
F(z)變幅=400 R=-1 290 000 134 500
4結語(yǔ)
本文描述的焊點(diǎn)疲勞壽命預估軟件系統主要基于德國LBF實(shí)驗室Rupp等人的工作，是德國LBF疲勞實(shí)驗室、英國nCode和美國MacNeal-Schwendler公司的一個(gè)合作成果。通過(guò)有限元靜態(tài)載荷分析或者瞬態(tài)分析，結合應力簡(jiǎn)化計算，它能計算實(shí)際載荷工況下的焊點(diǎn)疲勞損傷。軟件具有良好的用戶(hù)界面，它能方便地幫助分析人員判斷壽命最短的焊點(diǎn)位置。當前這一系統已經(jīng)用于汽車(chē)底盤(pán)、懸架系統以及車(chē)體的耐久分析。但是這一技術(shù)還需要進(jìn)一步的、廣泛的試驗驗證。
(end)
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