工程預(yù)測焊點疲勞壽命
- 2016-04-27 13:17:00
- Peter J.Heyes, Mikael 原創(chuàng)
- 9374
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(yù)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(xué)方法研究過受剪切載荷焊點的疲勞壽命預(yù)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(fù)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(yù)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(fù)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(yīng)力得到更好的理解，這一局部應(yīng)力指的是焊點附近的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。Rupp等人描述了如何計算這些結(jié)構(gòu)應(yīng)力。他們根據(jù)最大應(yīng)力、最小應(yīng)力和一個載荷譜對焊點的疲勞壽命進行了預(yù)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(yīng)力計算與應(yīng)力縮放、疊加以及應(yīng)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(yīng)力，這些應(yīng)力為圍繞焊點熔核和連接板的局部應(yīng)力；按照S—N總壽命方法，用這些結(jié)構(gòu)應(yīng)力預(yù)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(yīng)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(yù)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
2.1結(jié)構(gòu)應(yīng)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
圖3
對于點1，板中內(nèi)表面的等效應(yīng)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
(這一常數(shù)作為對彎曲應(yīng)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(yīng)力計算方程和點1基本類似，不再重復(fù)。
熔核中的應(yīng)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(yīng)力，即用基于應(yīng)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。考慮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(yīng)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(tǒng)需要一組載荷比R=0條件下的S—N曲線，分別對應(yīng)于焊核和金屬板。另外也需要平均應(yīng)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(xué)式可表示為
ΔS=SRI1(Nf)b1(16)
式中，SRI1(應(yīng)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(yīng)該用第二斜率b2。對于每一個循環(huán)，平均應(yīng)力可按下式修正，即計算R=0時的等效應(yīng)力幅度
(17)
Rupp等人描述了對應(yīng)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(yīng)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
圖5H型試件有限元模型
這些試件的載荷—壽命曲線用上面介紹的分析軟件進行預(yù)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(yīng)于3個不同的成活率。
圖6計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較
圖7焊點極坐標損傷圖
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(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(yù)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(yù)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(yù)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(yīng)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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