工程預測焊點疲勞壽命
              
        
              
          
              
                       2016-04-27 13:17:00

              
          
              
                       Peter J.Heyes, Mikael
              
          
            原創(chuàng)
          
          
              
            
              
              
 
               
               
            
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              摘要：介紹了一種預測焊點疲勞壽命的工程計算方法及其軟件系統(tǒng)。這一方法用有限元中的剛性梁單元模擬焊核，用殼單元模擬連接板，求取通過梁單元傳遞的力和力矩；根據(jù)這些力和力矩計算焊核附近連接板和焊核周圍的“結(jié)構(gòu)應力”；然后通過一組以結(jié)構(gòu)應力為控制參數(shù)的焊點S—N曲線估計焊點的疲勞損傷。描述了軟件系統(tǒng)的框架和特點，用兩個簡單的例子說明這一方法的應用。結(jié)果表明，分析結(jié)果與試驗結(jié)果相比有一定的保守性。 
              
        
      
              
      
              
        介紹了一種預測焊點疲勞壽命的工程計算方法及其軟件系統(tǒng)。這一方法用有限元中的剛性梁單元模擬焊核，用殼單元模擬連接板，求取通過梁單元傳遞的力和力矩；根據(jù)這些力和力矩計算焊核附近連接板和焊核周圍的“結(jié)構(gòu)應力”；然后通過一組以結(jié)構(gòu)應力為控制參數(shù)的焊點S—N曲線估計焊點的疲勞損傷。描述了軟件系統(tǒng)的框架和特點，用兩個簡單的例子說明這一方法的應用。結(jié)果表明，分析結(jié)果與試驗結(jié)果相比有一定的保守性。 
              
                  
              
在汽車工業(yè)中，點焊被廣泛地用于零部件和結(jié)構(gòu)的制造。點焊構(gòu)件的耐久性主要取決于焊點的疲勞強度。在一條生產(chǎn)自動線上裝備一個焊點的點焊機械裝置可能需要30萬美元，為了補救某一問題而必須在生產(chǎn)時再增加一個點焊裝置，其費用可能不止2倍。如果我們能在設(shè)計的早期預測焊點的疲勞壽命，那么顯然這些費用可以降到最低點。更有意義的是，它也有助于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 
              
                  
              
Smith和Cooper用斷裂力學方法研究過受剪切載荷焊點的疲勞壽命預測問題。他們指出：“一個焊點也許可以被認為是一個外表面有一環(huán)向深裂紋的實心圓棒，當這一圓棒受一個Ⅰ—Ⅱ復合型載荷時，它會在最大的局部Ⅰ型方向產(chǎn)生分叉裂紋并擴展”。他們說明了根據(jù)計算的裂紋擴展速率可以較好地預測焊點的疲勞壽命，并用他們的計算結(jié)果作出一些簡單的設(shè)計曲線。Smith和Cooper所建議的方法基于對簡單受剪搭接接頭的有限元模擬，這種方法需要進一步的發(fā)展才能用于其它不同的焊點型式，處理變幅異相復雜載荷。發(fā)展的結(jié)果可能是一個簡單的專門針對焊點的規(guī)范，按照英國標準BS7608的方法，給出適用于不同點焊類型的載荷—壽命曲線族。 
              
                  
              
事實上，關(guān)聯(lián)不同加載條件下焊點的疲勞強度，載荷是一個相當糟糕的參量。Raji和Sheppard提到，不同型式受不同載荷的焊點，它的疲勞耐久性能夠通過分析板內(nèi)焊點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附近的結(jié)構(gòu)應力。Rupp等人描述了如何計算這些結(jié)構(gòu)應力。他們根據(jù)最大應力、最小應力和一個載荷譜對焊點的疲勞壽命進行了預測。本文介紹的技術(shù)類似于Rupp等人的工作，不同的是進一步地將結(jié)構(gòu)應力計算與應力縮放、疊加以及應用瞬態(tài)有限元分析結(jié)果等方法結(jié)合起來。下面將先介紹軟件的技術(shù)細節(jié)，然后給出兩個說明簡例。 
              
                  
              
1方法概述 
              
                  
              
方法要求將焊點模擬成為MSC/NASTRAN中的剛性梁單元；經(jīng)這些梁單元傳遞的力和力矩被用來計算結(jié)構(gòu)(名義)應力，這些應力為圍繞焊點熔核和連接板的局部應力；按照S—N總壽命方法，用這些結(jié)構(gòu)應力預估焊點的疲勞壽命。 
              
                  
              
軟件系統(tǒng)由一些經(jīng)過修改的MSC/FATIGUE模塊組成，它的核心為焊點疲勞分析器SPOTW，圖1表示了這一軟件的框架。該系統(tǒng)當前只支持兩板焊點的疲勞計算。焊點應當用連接兩板中面且垂直于這兩個中面的剛性梁表達，而板用位于板中面的殼單元模擬。焊點的長度因此是板厚之和的一半。焊點附近的網(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(jié)果，即最實際的連接剛度。 
              
                  
              
軟件的使用方式與標準的MSC/FATIGUE類似。通過填一組表格創(chuàng)造一個作業(yè)文件，這個文件包含了焊點的直徑、板厚和疲勞性能參數(shù)信息。有一個解讀器讀這個文件，從MSC/PATRAN數(shù)據(jù)庫中抽出所有的有關(guān)數(shù)據(jù)，寫到一個中間文件中去。焊點分析器根據(jù)這個中間文件以及所需的載荷信號和疲勞性能數(shù)據(jù)，對每個焊點做壽命預測。最后輸出2個計算結(jié)果文件，其中的一個文件為MSC/PATRAN的可讀文件。下面將給出有關(guān)疲勞計算的一些細節(jié)。 
              
                  
              
                     
              
                    圖1焊點疲勞分析系統(tǒng)框圖
              
2技術(shù)細節(jié) 
              
                  
              
2.1結(jié)構(gòu)應力計算 
              
一個典型的焊點如圖2所示。陰影部分為焊核，在有限元分析中，它被模擬成一個剛性梁單元，連接兩塊板的中面。梁單元的長度為0.5(s1+s2)，其中s1和s2分別為板1和板2的厚度。點3位于焊核中心線兩塊板的接觸位置，離點1的距離為0.5s1。所有的力和彎矩按圖示的梁單元坐標系取。 
              
                  
              
                     
              
                    圖2典型焊點示意圖
              
解讀器從數(shù)據(jù)結(jié)果文件中抽取3個指定點(1、2、3)的力(Fx、Fy、Fz)和彎矩(Mx、My、Mz)，抽取時需進行坐標系變換，從MSC/NASTRAN坐標系轉(zhuǎn)換到MSC/FATIGUE坐標系，見圖3。這些力和彎矩(除了Mz)被用來計算板1和板2內(nèi)表面以及焊點兩板交接點，沿著焊核周向(θ=0°～360°，間隔為10°)的名義(結(jié)構(gòu))應力。點1和點2的力和彎矩為熔核施加到板上的載荷，而點3的力和力矩為上截面(點3和點2之間)作用于下截面(點1和點3之間)的力和彎矩。
              
                     
              
                    圖3
              
這些結(jié)構(gòu)應力計算如下： 
              
                  
              
對于點1，板中內(nèi)表面的等效應力為熔核周向位置角的函數(shù)，可寫成 
              
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 
              
                  
              
                    
              
式中，K1=0.6
                  (這一常數(shù)作為對彎曲應力梯度影響的補償)；d為熔核直徑。所有的長度單位為mm；力的單位為N；力矩單位為N*mm。 
              
                  
              
點2的結(jié)構(gòu)應力計算方程和點1基本類似，不再重復。 
              
                  
              
熔核中的應力計算有點不同。Rupp等人建議每隔10°計算多個平面上的正向應力，即用基于應力的臨界面方法，這意味著對于每個焊核需要進行648(36×18)次計算。顯然，這種方法計算量非常大?？紤]到焊點一般不會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)
              

              
                    
              
從熔核中的剪應力和正應力可以獲得面內(nèi)的主應力
              
                    (15)
              
式(15)中應力絕對值最大的主應力將作為損傷參量。 
              
                  
              
2.2材料性能 
              
軟件系統(tǒng)需要一組載荷比R=0條件下的S—N曲線，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(shù)和標準差參量。這些S—N曲線為專門的焊點S—N曲線，與常規(guī)的母材材料S—N曲線截然不同。這些S—N曲線的數(shù)學式可表示為 
              
                  
              
ΔS=SRI1(Nf)b1(16) 
              
                  
              
式中，SRI1(應力范圍截距)和b1(斜率)均為材料常數(shù)。上式適用于失效循環(huán)周數(shù)Nf小于過渡壽命Nc1的情況。如果Nf>Nc1，那么應該用第二斜率b2。對于每一個循環(huán)，平均應力可按下式修正，即計算R=0時的等效應力幅度 
              
                  
              
                    (17)
              
式中，M為平均應力敏感度，其典型值是0.1。 
              
                  
              
Rupp等人描述了對應于鋼板和焊核的通用S—N曲線，數(shù)據(jù)有一個相當寬的分散帶，部分反映了這些數(shù)據(jù)代表了多種鋼板中的焊點，既有中強鋼也有高強鋼。如果只對某一特定材料，分散帶可能會窄一些。 
              
                  
              
2.3損傷計算 
              
損傷計算在兩塊板和焊核中沿著焊點的周向以10°的間隔進行，因此，對于每個焊點，共108個疲勞計算。通過靜態(tài)放大疊加一組靜態(tài)載荷結(jié)果，或通過瞬態(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計算點的有效應力變化；然后用雨流循環(huán)計數(shù)技術(shù)獲得范圍—均值直方圖；最后根據(jù)直方圖及Miner損傷累積規(guī)則計算疲勞損傷。結(jié)果輸出為兩個文件：一個是MSC/PATRAN 2.5 .els文件，用MSC/PATRAN可以對它進行后處理；另一個為ASCII文件，它包含了更為詳細的結(jié)果，可用SPOTW進行后處理。 
              
                  
              
本文描述的方法計算量較大，計算時間基本上和載荷譜中的數(shù)據(jù)點數(shù)目成比例，因此，有效地過濾載荷輸入能夠節(jié)省大量計算時間。 
              
                  
              
3計算簡例 
              
                  
              
3.1實驗室用試件 
              
                  
              
                     
              
                    圖4H型實驗室點焊試件
              
材料為V—1147中強鋼，試件有兩排焊點，每排5個，見圖4。試件受拉伸載荷，所以焊點承受剪切力。一系列常幅疲勞試驗已經(jīng)進行，載荷比(最小載荷比最大載荷)為0.1。
              
                     
              
                    圖5H型試件有限元模型
              
試件的有限元模型見圖5。由于對稱性，模型只是實際結(jié)構(gòu)的一半。模型中的板用殼單元模擬，而焊核用5個剛性梁單元模擬，梁單元的長度為兩塊板的厚度之和的一半。 
              
                  
              
這些試件的載荷—壽命曲線用上面介紹的分析軟件進行預測。計算所用的焊點S—N曲線為ST1403材料的焊點曲線，其板厚介于0.66～2.5 mm之間，焊點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(jié)果，計算結(jié)果對應于3個不同的成活率。
              
                     
              
                    圖6計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較
              
焊點疲勞分析系統(tǒng)配有功能強大的后處理工具，比如它能按損傷值大小順序顯示各個焊點的疲勞壽命，也能顯示某一個焊點的計算壽命、損傷值、結(jié)構(gòu)應力和力等。每個焊點共有108組結(jié)果。利用MSC/PATRAN的圖形顯示功能，用戶可以獲得一個可視性很強的焊點壽命圖，即
              
                     
              
                    圖7焊點極坐標損傷圖
              
在有限元模型中梁單元位置，用不同的顏色表達不同的壽命值范圍。另外，沿某一焊點環(huán)向的損傷分布可通過一個極坐標圖表達，圖7即為一個循環(huán)載荷(3 kN→30 kN→3 kN)所引起的最大損傷焊點位置的損傷極坐標圖，圖中的角度即為相對于焊點x軸(MSC/FATIGUE坐標系)的環(huán)向位置。 
              
                  
              
                     
              
                    圖8T型梁試件的有限元模型
              
3.2T型梁 
              
                  
              
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(jié)果和分析結(jié)果。分析中我們同樣使用LBF給出的焊點通用S—N曲線。 
              
                  
              
上面的分析比較表明，試驗結(jié)果與分析結(jié)果的關(guān)聯(lián)似乎是合理的，分析結(jié)果比試驗結(jié)果要保守一些。 
              
                  
              
表1T型梁試件的預測壽命和試驗結(jié)果比較 
              
                  
              
載荷(N) 試驗壽命(循環(huán)周數(shù)) 預測壽命(循環(huán)周數(shù)) 
              
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(jié)語 
              
                  
              
本文描述的焊點疲勞壽命預估軟件系統(tǒng)主要基于德國LBF實驗室Rupp等人的工作，是德國LBF疲勞實驗室、英國nCode和美國MacNeal-Schwendler公司的一個合作成果。通過有限元靜態(tài)載荷分析或者瞬態(tài)分析，結(jié)合應力簡化計算，它能計算實際載荷工況下的焊點疲勞損傷。軟件具有良好的用戶界面，它能方便地幫助分析人員判斷壽命最短的焊點位置。當前這一系統(tǒng)已經(jīng)用于汽車底盤、懸架系統(tǒng)以及車體的耐久分析。但是這一技術(shù)還需要進一步的、廣泛的試驗驗證。 
              
                  
              
(end)
      
              
      
        
              
          
        
              
      
      
    
              
    
              
    
              
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             發(fā)表評論
  
               
  
               
    
               
      
               
         
        
               
           
        
               
      
               
      
              
               
         
        
               
           
        
               
        
                
               
          
               
             
          
               
        
               
      
               
      
               
         
        
               
          
            
            
          
                  
          
              
        
              
        
          
      
              
              
            

                
              
      
              
        什么越洗越臟？（答案：水）
        
        
      
              
  
              

              
          
              
        
         
      
              
              
          
              
              
            
              
          
                  評論通過審核后顯示。
            
          
              
        
              
      
              
    
              
  
              

    
              
    
  
              
  
  

              

              

              
  
              
  
              


              
	
                
		

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						業(yè)務咨詢
						
							

						
					
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						人才招聘
						
							

						
					
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						售后咨詢
						
							

						
					
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				掃一掃關(guān)注微信
			
                
		
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  鴻栢科技
              
                

                            		
            
              
              
                
              
  深圳市鴻栢科技實業(yè)有限公司
              
                

                            		
            
          
            
              
              
                

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