（机械设计及理论专业论文）基于动态响应频率的双点焊接头疲劳损伤及寿命预测.pdf

北京工业大学工学硕士学位论文 摘要 本文主要研究了双点点焊接头的疲劳损伤过程，从多个角度探讨了双点点焊 试件的裂纹萌生及扩展机理，并利用有限元模拟和动态响应测试对双点点焊接头 疲劳过程中固有频率的变化特性进行了研究。研究结果表明，三维有限元模拟与 试验结果相吻合，能较好地模拟双点点焊接头在裂纹萌生及扩展过程中的固有频 率变化情况。利用有限元软件计算出了双点点焊试件的各阶模态振型，并探究了 各阶模态固有频率下降幅度不同的原因。用有限元计算探讨了试件固有频率的相 对变化率与尺寸的关系，发现试件固有频率的相对变化率与试件的尺寸无关。在 疲劳试验及有限元模拟的基础上，对双点点焊试件的疲劳损伤及疲劳寿命进行了 估算。 首先，从受力条件、组织因素、硬度、裂纹观察等角度探讨了双点点焊试件 的裂纹萌生及扩展机理，并与单点点焊试件进行了对比。在m t s 8 1 0 试验机上对 试件进行了疲劳试验，结合动态响应测试，获得了双点点焊试件在疲劳过程中的 固有频率变化的特性。 然后，根据试件尺寸及裂纹的萌生扩展规律建立了有限元模型，利用有限元 方法模拟在疲劳裂纹的萌生和扩展过程中点焊接头固有频率的变化特性。与试验 结果对比发现，三维有限元模拟结果与试验结果吻合，能够较真实地反映试件在 疲劳损伤过程中动态响应的变化情况。 最后，在有限元分析的基础上，对双点点焊试件的疲劳损伤及疲劳寿命进行 了估算。并将试验结果与预测结果进行了对比，结果表明所提出的公式有较好的 预测效果。 关键词双点点焊接头；有限元法：固有频率；动态响应；疲劳损伤 i 北京工业大学工学硕十学位沦文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , f a t i g u ed a m a g ep r o c e s so fd o u b l e s p o tw e l d e dj o i n tw a ss t u d i e db y f e aa n df a t i g u et e s t i n g n l em e c h a n i s mo fc r a c k si n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o nw a s s t u d i e di ns e v e r a la s p e c t s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lf r e q u e n c yw e r ei n v e s t i g a t e d b a s e do nt h es i m u l a t i o nb y3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ed y n a m i cr e s p o n s e e x p e r i m e n t sf o rs p o t w e l d e ds p e c i m e n sd u r i n gt h ef a t i g u ed a m a g ep r o c e s s t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ss h o w e dt h a tag o o da g r e e m e n tw a sa c h i e v e dw i t h e x p e r i m e n t a la n a l y s i s 3 df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nc a n r e f l e c tt h ec h a n g e so fn a t u r a l f r e q u e n c yf o rd o u b l e s p o tw e l d e dj o i n t sd u r i n gt h ef a t i g u ed a m a g ep r o c e s s m o d e s h a p e sf o rd o u b l e s p o tw e l d e ds p e c i m e nw e r ec a l c u l a t e db yf e as o f t w a r e ，a n dt h e r e a s o nt h a ta l lm o d e sn a t u r a lf r e q u e n c i e sd e c r e a s ei nd i f f e r e n te x t e n tw a sd i s c u s s e d i na d d i t i o n , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en a t u r a l f r e q u e n c y r e l a t i v ec h a n g e sa n dt h ef a t i g u ed a m a g ef o rd o u b l e s p o tw e l d e dj o i n t sd u r i n gt h e f a t i g u ep r o c e s s n l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v ec h a n g e so fn a t u r a lf r e q u e n c ya r e i n d e p e n d e n to ft h ed i m e n s i o n so fs p e c i m e n s b a s e do nt h ef a t i g u ee x p e r i m e n ta n d f e as i m u l a t i o n ，t h ef a t i g u ed a m a g ea n df a t i g u el i f ew e r ep r e d i c t e df o rd o u b l e s p o t w e l d e ds p e c i m e n f i r s t ，t h ec r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o nw e r ed i s c u s s e di nt h eb e l o wf o u r a s p e c t s ：l o a d i n gs t a t e 、m a t e r i a li n g r e d i e n t 、r i g i d i t y 、c r a c ks h a p e as e r i e so ff a t i g u e t e s t sw e r ec a r r i e do u to nm t s 810m a t e r i a lt e s ts y s t e mf o rs p o t - w e l d e ds p e c i m e n s ， c o m b i n e dw i t ht h ed y n a m i cr e s p o n s ee x p e r i m e n t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a l f r e q u e n c yw e r eo b t a i n e dd u r i n gt h ef a t i g u ed a m a g ep r o c e s s t h e n ，t h ef em o d e lw a sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h es p e c i m e nd i m e n s i o n sa n d t h er u l eo fc r a c ki n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o n t h cf a t i g u ed a m a g ep r o c e s sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fn a t u r a lf r e q u e n c yo fs p o t w e l d e ds p e c i m e n sw e r es i m u l a t e db y3 d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n ss h o w e dt h a tag o o da g r e e m e n t w a sa c h i e v e dw i t i le x p e r i m e n t a ld a t a f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h e f a t i g u ed a m a g ea n df a t i g u el i f eo fd o u b l e s p o tw e l d e ds p e c i m e nw a se s t i m a t e d t h e r e s u l t so f p r e d i c t i o n s h o w e dt h a tag o o da g r e e m e n tw a sd e m o n s t r a t e dw i m e x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d sd o u b l e s p o tw e l d e dj o i n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d y n a m i cr e s p o n s e ； n a t u r a lf r e q u e n c y ；f a t i g u ed a m a g e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 弛垒兰灸吼型上 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阕和借阕；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：茎! 鑫导师签名：迥嘲卫世 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 点焊，是属于搭接电阻焊的一种焊接方法，具有成本低、效率高等优点，非 常适合于大批量生产，在汽车生产行业得到广泛地运用。薄壁冲压的汽车部件， 绝大部分是由点焊组装而成的。或者说，汽车车体上9 0 的焊接接头是靠接触点 焊连接的。因此，在正常服役条件下，正是这些焊点的疲劳强度决定了车体的整 体性。由此可见，点焊在汽车生产中占有一定的地位。随着现代工业的发展，汽 车对提高强度和可靠性、减轻自重，节省燃料的要求日趋高涨。采用高强度低合 金钢代替低碳钢用做汽车部件，和根据实际服役条件开展对点焊件疲劳性能的研 究是现代汽车生产采取的两个重要措施。过去采用较厚的低碳钢板时，点焊接头 有足够的刚度保证疲劳强度，因此设计时对焊点疲劳性能一般未加特别考虑。但 现在采用减薄的h s l a 钢板，其点焊接头刚度由于钢板减薄而下降，使得疲劳强 度减弱，因此工程设计人员必须把疲劳性能当作车体安全可靠性的一项主要参 数。 实际结构中绝大多数是多点焊接头，设计人员在考虑一定长度内的焊点布置 时，多数是考虑使其大致受力均匀、外形美观等方面的因素，凭经验满足强度条 件。关于是否存在最佳焊点布局，使接头的静强度和疲劳强度在满足要求的前提 下焊点数目最少的问题很有工程应用价值“。试验发现，多点焊接头的疲劳强度 不能按照单点焊接头的疲劳强度乘焊点数目来计算，实际中，由于多点焊结构相 对于单点焊结构更稳定，其疲劳寿命比单点焊结构的疲劳寿命乘焊点数目要长得 多。所以，对多点焊接头的疲劳强度及寿命的研究就成为一项非常重要的工作。 1 2 点焊接头的结构及断裂形式 1 2 1 点焊接头的结构 点焊是将两块板在电极压力下，通电加热，经过预压、加热熔化、冷却结晶 这样一个点焊循环过程，就被焊合在一起。其通电加热时间一般为凡至几十周波 ( 一周波为0 0 2 s ) ，而电流有效值一般为几至几十k a 。焊核直径和周围热影响区 大小、形状取决于焊接参数2 1 。点焊特点是加热时间短，热量集中，变形与应力 小，是一个高度非线性、存在多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程。 点焊接头的结构如图1 1 。1 所示。焊接时形成的连接两个被连接体的，受到 焊接热作用而发生组织和性能变化的区域，被称为热影响区。焊接时因工件材料、 北京工业大学工学硕士学位沦文 焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊点和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬 或软化现象，会使焊件性能下降，恶化焊接性。另外，焊接是一个局部的迅速加 热和冷却过程，焊接区域由于受到四周工件本体的约束而不能自由膨胀和收缩， 冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。焊核直径和周围热影响区( h a z ) 大小、 形状取决于焊接参数。由于两板仅在中心部分熔合，在图中a 、b 处存在未焊合 的缺口，所以有些学者认为点焊接头中预先就存在裂纹“。 利 幽1 - 1 点焊接头结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f s p o t - w e l d e dj o i n t 点焊接头疲劳试验主要用承受循环载荷的单面拉伸剪切试件进行，也可用横 向拉伸试件和撕裂试件，如图1 2 所示“3 。德国工业标准d i n 5 0 1 2 4 和d i n 5 0 l “ 中规定了拉伸剪切试件和横向拉伸试件的有关疲劳试验。德国焊接技术联合会标 准d v s 2 7 0 9 ”1 中还介绍了用于飞机制造和航天工业的其他拉伸剪切试件( 包括 多剪面试件、多点接头和盖板接头试件) 。 4 n i 爿匠卫 ( a ) ( b )( c ) 图1 - 2 单焊点试件 f i g t - 2t h es i n g l e - s p o tw e l d e ds p e c i m e n ( a ) 拉伸剪切t e n s i o n s h e a r ( b ) 横向拉伸c r o s s - t e n s i o n ( c ) 撕裂拉伸t e a r i n g - t e n s i o n 汽车上的点焊结构，无论复杂程度如何，最终都可分解为如图1 3 所示的几 类结构。拉伸剪切( 搭接) 结构、横向拉伸或撅裂拉伸结构、帽形多点结构及管子 点焊结构四类”1 。在实际的强度试验和数值计算中，这四类结构被规范成相应的 标准试样。 焉嚣瓯 i ) l 匿40：80、pi2 0 l 。乏。 图1 - 3 四类点焊结构 f i g 1 - 3f o u rs p o t w e l d e ds t r u c t u r e 工业实践中( 如汽车工业中) 常使用承受扭矩( 或内压力) 且与实际构件更 为接近的多焊点帽形试件进行疲劳试验，以便能通过有关s - n 曲线进行选材、选 择适当的焊接方法及确定有关设计参数。这种试验的另一目的是得出持久焊点力 以评价、验证有关有限元计算结果( 结构应力、焊点力) 。为此，须在对试件施 加扭转载荷的同时施以内压力载荷。焊点切力f 。可根据布勒特公式( b r e d t s f o r m u l a ) i ：1 ：1 横截面中的切力流导出”3 ，即 c = 等 ( 1 1 ) 式中，m 。为扭矩，。为焊点间距，a 为帽形试件空心截面所围成的面积。 上式表明，焊点切力与焊点间距成正比而与焊件板厚无关。如果省去一个焊 点，相邻焊点中的切力便会相应增大约1 5 倍；这样便可使所有焊点顺次产生剪 切断裂。试件承受内压时焊点处的撕裂拉力和横向拉力将取决于该焊点横截面的 几何关系，故这类试件的持久力不可一概而论，即无法得出一般性结果。因此， 帽形试件疲劳试验一般以大裂纹引起的试件刚度下降作为其有限损伤判据。 1 2 2点焊接头的断裂形式 在实际服役中，焊点最终的破坏形式对点焊接头及整个结构的安全、可靠性 有很大影响，所以对点焊接头的断裂研究也是一项重要内容。但由于点焊接头的 疲劳试验和疲劳性能的影响因素是多方面的，所以前人的结论中对焊点最终的断 裂情况的分析结果，因为试验条件不同、焊点破坏程度规定不同而有所差异，其 中比较一致的是认为：正常情况下焊点的疲劳破坏主要有两种形式”1 ，母材断裂 op是oh兰 ，口! ，iu?r，id”u山m下，ld ， luuli c ：ni州iu；b，博00l订 罩母 北京工业大学工学硕士学位论文 ( s h e e tf a i l u r e ，p u l l o u tf r a c t u r e ，h a zf a i l u r e ) 和剪切断裂( s h e a rf a i l u r e ，i n t e r f a c e f r a c t u r e ) ，见图1 - 4 。 热影响区 ( a ) 翦切断裂 热影响区 ( b ) 母利嘲f 裂 图1 4 拉剪载荷下的两种断裂形式 f i g 1 - 4t h et w of r a c t u r ef o r m si nt h et e n s i o n s h e a rl o a d 母材断裂是指裂纹并不沿原缺口尖端扩展，而是基本垂直于缺口方向在 h a z 中围绕焊核扩展直至穿透板厚，然后在母材上扩展。剪切断裂是指裂纹从 缺口尖端起裂，在焊核中心接合面内扩展，焊核面积不断减小，最后完全脱开。 母材断裂一般出现在薄板，焊点直径符合规范的场合，剪切断裂一般出现在厚板， 高载荷或焊点直径偏小，承载能力不够的场合“”。 焊点接合面裂缝状边缘为萌生裂纹的危险部位。只有当热影响区明显硬化及 载荷处于低周疲劳强度范围时，裂纹才不在边缘缺口处而在热影响区之外萌生和 扩展。此外，点焊接头也不可能完全避免产生热裂纹及其他缺陷。 1 3 点焊接头疲劳强度的研究 目前，点焊接头疲劳强度研究进行得不够深入，一个很重要的原因是由焊点 结构本身带来的。首先，焊接工艺的波动，焊接缺陷的产生会直接影响到焊点性 能。尤其对疲劳试验则更增加了数据分散性，加大工作量。 对于汽车点焊结构来说，循环剪切载荷与循环横向载荷的叠加以及循环载荷 与静预加载荷的叠加，都会影响其疲劳强度。文献 1 1 己对承受扭矩和内压叠加 的些汽车点焊结构进行了研究，研究结果表明其疲劳强度下降为2 0 2 5 。 文献 1 1 中比较了低强钢点焊接头和高强钢点焊接头的疲劳强度，结果表 明，两者的高周疲劳强度值相差不大或者静载强度较高者其高周疲劳强度值较 低，介于低强钢和高强钢之间的其他点焊接头也同样如此。这种情况对一些低强 钢和高强钢点焊接头所作的疲劳强度试验“2 1 研究中也可看到。例如，高强钢 第1 章绪论 z s t e 3 8 0 ( oo2 = 3 2 0 n m m 2 ) 接头的对称循环疲劳强度和脉动循环疲劳强度稍低于 相同形式的低强钢s t l 4 0 3 ( oo2 = 1 5 0 2 0 0 n r n m 2 ) 接头的疲劳强度。 点焊接头疲劳强度与温度的关系和母材疲劳强度与温度的关系相当，即随着 温度的升高强度将有所下降，同时裂纹萌生点也可能被移至热影响区的前缘部 位。o v e r b e e k e 和d r a i s m a 。”对焊态下的点焊试件与经消除应力处理的试件进行 比较后得知，焊态下的试件提高疲劳强度的裂纹闭合效应出现在载荷循环比r 1 时，消除应力试件则出现在r o 1 。 焊点焊核面积相同时，增大环形接合面面积( 通过调整焊接参数，特别是电 极压力和焊接时间) 可改善疲劳强度。其他能提高疲劳强度的措旌有：采用静压 或冲击压缩；采用电极或液压对焊点和热影响区进行焊后压缩；预应变至极限拉 伸切力的2 3 以及进行焊后热处理等。它们之所以能提高疲劳强度，是因为能产 生应变硬化，产生有利于疲劳强度的残余应力以及能消除微观裂纹。将可能提高 疲劳强度的工艺措施进行某种优化组合，便可能使疲劳强度增加极限拉伸切力的 1 3 ，相当于疲劳强度降低系数增大0 2 5 。 若焊点附近有折边，其疲劳强度与标准试件的强度值相比将有所增加“，这 是由于焊点倾角因折边而减小之故。 由于点焊接头的裂缝式接合表面特别易于腐蚀，故前面所列强度数值实际上 常常不可能得到或只在采取特别防蚀措旆时才有可能。低强钢和高强钢焊点因间 隙腐蚀而导致疲劳强度下降，降低程序随坏境情况的恶化比如由潮湿空气浸入 净水之中、喷洒盐雾甚而浸入盐水之中而增大“”。间隙越宽，腐蚀越严重。 由于对点焊接头的疲劳强度及其对于制造缺陷和腐蚀的敏感程度缺乏足够 认识，点焊接头目前在汽车、铁路和飞机制造工程中仅用于那些可靠性要求较低 的接头。 对焊点疲劳强度影响因素的分析主要是一些早期的研究，只是定性地比较， 不能进行定量地分析。 1 4 点焊接头疲劳寿命的研究 1 4 1 疲劳寿命的影响因素 焊点疲劳寿命的主要影响因素有：焊点直径，板厚，基体金属性能，及试样 宽度及焊点间距等。 w i l s o n “”等研究表明，增大焊点直径会有更长的疲劳寿命。在短寿命区，厚 板可以承受高的标准化的载荷，而在长寿命区只能承受较小的载荷。当寿命小于 1 0 时，对于一些点焊接头材料，增加基体强度可提高焊点的疲劳寿命。然而， 这种差别随着疲劳寿命增加而降低，在l o7 时可以忽略不计。 北京工业大学工学硕士学位沧文 p o l l a r d 在常幅载荷下频率为3 h z 的伺服液压试验机上进行了疲劳测试。 得出的加载载荷幅与板厚的关系为： a p = c e 2 “ ( 1 - 2 ) 式中a p - 载荷范围； 材料板厚： c 。对于给定的寿命是一个常数。 通常随着板厚的增加，疲劳强度提高。拉剪疲劳测试表明，随着另一板厚增 加，疲劳寿命增加。 臧启山等“”选用国外汽车上所用的两种板材a k d 0 和h 5 0 作为试样材料， 研究了汽车用点焊接头在常幅和复杂道路载荷谱下的疲劳行为，发现无论常幅疲 劳还是复杂载荷谱的疲劳寿命曲线都表明，尽管h f 5 0 比a k d q 强度高，其疲 劳抗力只在高应力下显示优点，在低应力下h f 5 0 与a k d q 的疲劳抗力差不多， 甚至h f 5 0 比a k d q 还差些。 y z h a l l g 等“”基于裂纹扩展分析了板厚的影响，并认为结构应力方法不能解 释板厚对疲劳寿命的影响。他提出了一种基于断裂力学的研究方法，把初始的未 断的焊点作为一个含有裂纹的实体，模仿裂纹扩展到板厚，从循环第一周开始使 用p a r i s 公式，得出断裂循环数是t s 的函数关系，t 是材料板厚，s 是材料常数， 在一定情况下s 接近于0 5 。用此方法预测的疲劳寿命与试验结果取得了较好的 一致性。 f u j i s a w a o ”对汽车结构用商业( k b c f 4 5 ) 薄钢板进行了双拉疲劳测试，在两种 不同载荷水平下对载荷一寿命特性与疲劳寿命分布进行了测量。对断裂表面 s e m ( 扫描电镜) 观察，重点是裂纹萌生点和裂纹扩展路径。基于试验结果，从概 率观点讨论了疲劳特性，静强度与疲劳寿命由三参数韦布尔曲线表示，得出结论： 疲劳寿命分散性与静强度数据不比母材大，焊点周围有四个点适宜裂纹萌生，疲 劳断裂由在初始裂纹对面的第二个裂纹扩展引起，疲劳寿命与裂纹转折角间显著 相关。 张家义等。“以国产低碳钢为对象，讨论了单点焊构件疲劳寿命的统计特征及 焊接工艺的影响。结论表明：在一定范围内，焊接电流变化对点焊构件中寿命区 的疲劳寿命无显著影晌，但增大焊接电流对提高长寿命区的疲劳寿命是有效的 平均对数寿命与对数载荷之间的线性相关性很好。 李银平等计算表明，存在一个较优焊点数目或点距，使单个焊点的承载能 力最大。当焊点数目较少时，焊点相互影响小，且其间板体还能承受小部分载荷， 当焊点数目较多时，相互影响大，应力集中现象严重，焊点附近的高应力已几乎 遍布整个板宽，各个焊点不能充分发挥其效能，所以其单个焊点甚至整体的拉伸 强度降低。研究结果表明：镀锌板多点焊试件焊距为7 5 m m 时，每个焊点的拉剪 强度最大；多点焊试件焊距为5 0 m m 时，疲劳寿命最长；单点焊试样的静拉剪强 度和疲劳寿命都低于多点焊试件的最高值；综合考虑w 0 8 a 1 深冲镀锌板多点焊 的最佳焊距在5 0 - - - 6 0 m m 之间；静拉剪性能指标不能完全代替疲劳性能，在进行 构件设计时，只考虑静拉剪性能是不够的。 1 4 2 焊点的疲劳寿命估算方法 焊点疲劳寿命预测的方法主要有：名义应力法，焊点局部应力与应变法，断 裂力学方法，及其他等一些方法。 1 4 2 1 名义应力法 在常规疲劳强度设计中，以零件和构件的名义应力s 为参数，计入有效应力 集中系数群、尺寸系数g 、表面系数和不对称循环度系数等因素的影响， 得到当量计算应力s + ，用m i n e r 公式按s 一曲线的斜线部分进行累积损伤计算， 由此估算出寿命。上述寿命估算方法的出发点是零件和构件危险点的名义应力， 故称这种方法为名义应力法。 p o l l a r d “7 1 等研究认为，对于拉剪试样，疲劳寿命与焊点直径和板厚的关系 表示为： a p ：1 2 4 5 0 0 n 芦 。半十等( 1 - 3 ) 式中尸载荷5 n ，疲劳寿命5 ，焊点直径； f 板厚。 对于拉一拉试样，其关系表示为： 尸：8 1 4 3 1 0 6 ? ”r 0 3 u ( o5 ，) 1 ( 1 - 4 ) 当n f 为5 x 1 0 3 至5 x 1 0 6 ，拉剪与拉一拉加载模型估计值与测量结果一致性很 好。 a b e 。”等也导出了一个经验公式，由基体金属的伸长，试样宽度，板厚，及 焊点直径等参数组成。经验公式表示如下： p _ 筹 ( 1 - s ) ( r 互) “ 、。 c = o 1 w “2 2x 0 9 1 d “ ( i - 6 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 t l = 1 0 7 l _( 1 7 ) x y t 2 = 1 0 7 x 孚x 面t ( 1 - 8 ) 式中m l = o 2 2 ，m 2 = o 9 1 ，m 3 = o 6 l ； 材料宽度( m m ) ： f - 一材料厚度： y 裂纹萌生寿命与总寿命比率的相关系数； d 1 3 。 对于承受拉剪的试样，l e e 。”等定义名义应力为载荷与净截面之比，并提出 了名义应力一寿命公式： 川忐卜c ( 1 - 9 ) 其中，s o ，瓯分别为名义应力幅与平均值，n 为疲劳寿命，a ，e c 为疲劳 常数。 z h a n g 等基于名义应力和板厚提出一种简单的疲劳参数，并对疲劳寿命进 行预测。参数与应力集中系数的关系用简单例子作了说明，并用有限元模型计算 了焊点周围的应力。 此类方法考虑的是危险点的名义应力，名义应力法计算应力使用的是材料力 学或弹性力学，只适用于应力水平较低的高周疲劳问题，当应力水平较高零件的 危险点发生局部屈服时，此法误差会很大，另外此法不能考虑加载次序和残余应 力的影响。但由于此法计算简单，目前在工程中还在广泛应用。 1 4 2 2 焊点局部应力与应变法 局部应力应变法的基本思想，是认为零件和构件的整体疲劳性能，取决于最 危险区域的局部应力应变状态。 s a t o h 。7 3 等使用应变规测量了焊点处电极压痕两侧的应变，循环应变幅变化 率为： a s ，= ( 1 一a s a s 。) 1 0 0 ( 1 1 0 ) 式中s 循环应变幅变化率； 占损伤后循环应变幅； s 初始循环应变幅。 m a b u c h i 汹1 将点焊接头看成是一个环状裂纹体( 这一假设被后来的研究人员 第1 章绪论 广泛采用) ，认为影响点焊接头疲劳强度的主要因素是局部应力参数：结构应力、 缺口应力和应力强度因子。影响结构应力和缺口应力的参数是：焊件的板厚和板 宽，焊点的直径、数目、布置间距以及焊件板材的横截面形状( 如卷边、折边等) 。 他使用分析应力参数如焊点的结构应力，应力强度来分析了焊点强度，提出了分 析点焊结构的局部分析方法。认为：点焊接头的强度( 尤其指疲劳强度) 可通过分 析焊点边缘的局部应力参数加以评定。 n i n gp a n 。1 等研究了两板厚不同的焊点的疲劳寿命预测。对于焊点缺1 ：3 处的 应力应变作了仔细分析，提出了一种基于应变的疲劳寿命预测方法。结果表明， 基于应变的方法对于混合厚度点焊的疲劳寿命描述非常合适。所提出的经验公式 为： n = o 0 1 1 8 ( z x e ) 。” ( i - 1 1 ) s h e p p a r d 等m 1 假定裂纹沿厚度方向扩展，裂纹扩展寿命等于焊点的总寿 命。由此给出一个关于结构应力幅和实测的疲劳寿命的双对数拟合曲线： j 二。七：= c ( 丛一) 。 ( 1 - 1 2 ) ( 1 一r ) 、一7 、。 式中 r ，裂纹扩展到整个板厚所用的循环数； c ，b 材料常数。 b a e 等。2 1 提出了一个计及焊点边缘焊接残余应力的应力幅，用应力幅一疲劳 寿命关系代替载荷幅一疲劳寿命关系来计算疲劳强度。 局部应力与应变法考虑了材料的塑性变形，对零件危险部位进行了精确的弹 塑性分析，同时计入了载荷次序的影响，因而相对名义应力法有较高的寿命计算 精度。但由于此法是基于单轴应力假设，对于实际中的多轴问题还不能有效解决。 在实际情况下，焊点常受到两轴或多轴应力的作用，所用的多种计算公式都是经 验公式，计算结果精度有时较差。 1 4 2 3 断裂力学方法 点焊接头中由于已经存在缺口，因此可以当作一含裂纹体，用断裂力学理论 进行分析。断裂力学方法主要用来计算裂纹的扩展寿命，常使用的参数是j 积分 和应力强度因子k ，其中等效应力强度因子法应用最广。”。在这方面最早的是 p o o k 。4 1 进行的工作，建立了焊点断裂力学分析的基本关系。以后其他的一些工作 均是建立在这个模型之上的。点焊接头中的应力分布比较复杂，三种形式的裂纹 表面位移一般都存在，p o o k 认为焊核周围三种形式的应力场强度因子都存在， 他以单点拉一剪试板为基本单元，给出下列应力场强度因子表达式： 。，。，：! 一。：! 一：一，。苎至三些奎兰三茎堡耋兰兰篁兰 。，：! ，：。 k ：兰一 f d ，1 。，”1 d i t 1 0 (113)ok 2 高酽, 3 4 1 ( 引) ”】 ( 1 蚝= 赤【0 2 8 2 + 0 1 6 2 ( 肋r 1 9 2 d “引o ( i - 1 4 ) 也2 高斋 0 2 8 2 + 0 1 6 2 ( d “) ”】0 - 1 5 ) 其中j p 为每个焊点所受的外载，d 为焊核直径，为试样厚度。 陈建桥”1 等研究了单点点焊接头的疲劳寿命特征、估算方法和影响因素，从 断裂力学的观点分析和解释了疲劳过程中的一些现象。分析了恒幅及变幅载荷作 用下，拉剪点焊接头的疲劳性能，并应用断裂力学理论及方法对实验结果进行了 分析整理。将环形裂纹视为i 和i i 型裂纹混合变形的问题，并使用有限元方法计 算了k ，和足口和混合的足，得出了a k n 的经验曲线。对两种材料试样进行了 试验，并用m i n e r 线性疲劳损伤累积理论进行了分析。结果表明，对于母材断裂 伸长率较大、载荷水平较低的试件，较好地符合线性疲劳损伤累积理论。而伸长 率较小、载荷水平较低的试件则表现出较明显的裂纹扩展特征。 h y u n g y i ll e e 和n a m h ok i m 在单点焊的基础上，对多点焊试件进行了研 究。他们把分别含有两个、三个、四个焊点的汽车安全带卡锁( s b a ) 作为试件， 并建立了相应的有限元模型。他们从断裂力学角度考虑单点点焊试件的疲劳寿 命，提出了自己的寿命预测方程： a k 。= 【m p a 埘1 = 1 0 “； ( 1 1 6 ) 式中，k 为等效应力强度因子，此处( 骂，b ：) = ( 1 7 ，一o 2 ) 此方程对多点点 焊疲劳寿命预测也适用。 j 积分能够综合考虑试样形状与载荷类型的影响。w a n g 等。7 1 使用线弹性断 裂力学，导出初始j 积分值和疲劳寿命的关系，用来确定受到拉剪载荷的焊点疲 劳寿命。弹性j 积分幅与疲劳寿命的关系为： r = 1 7 2 1 0 4 ( 以) 。2 5 9 ( 1 1 7 ) h ，l e e 等瑚“研究了等效j 积分j e 与疲劳寿命n f 的关系。j 积分的计算式为： je = j i + l i 七q n ，。f l i q - 、趴 式中 夕，断裂模式敏感系数； p o s s i o n 比。 疲劳寿命方程为： m = 1 0 ”，4 5 ( 1 1 9 ) 断裂力学方法是建立在对裂纹尖端的力学分析基础之上的。工程结构断裂力 学分析的一个重要方面是测定裂纹扩展速度，并在已知初始裂纹尺寸的前提下， 估算裂纹扩展到断裂的寿命，这是疲劳强度设计中的一个重要内容。在工程中应 用断裂力学方法对零件和构件的寿命进行预测已褥到广泛应用。 1 4 2 4 其他方法 h k a n g 等m 1 对于r u l e 插值技术做出了修正，提出了一种外推方法。可以使 用以前研究人员的焊点寿命和应力数据。这些数据包括试样尺寸的类型、材料特 性、应力比、焊接条件。计算结果与试验的值吻合较好。s m a h a d e v a n “对于汽 车点焊联接在多轴和变幅载荷历程下，建立了一个损伤容限可靠性分析方法，总 的疲劳寿命分成两个部分：裂纹萌生和裂纹扩展。使用m i n e r 概率原理及结合一 个随机应变寿命曲线族和应力应变分析结果，建立一个基于应变的概率裂纹 萌生寿命预测模型。s a l v i n i 等“”提出了一个通用的估算点焊的疲劳寿命规范，基 于径向应力的理论外推。此规范需与有限元模型同用。优点是它与焊点根部的缺 口效应无关，适用于不同材料的多种样件，结果与实验结果吻合较好 s o h n 等“3 提出了使用人工神经网络的应变能密度因子疲劳寿命预测方法。 并使用韦布尔概率分布函数理论估算了此法的可靠性。从结果看，由应变能密度 因子预测疲劳寿命方法的可靠性是8 5 ，疲劳寿命与实际试验结果一致性很好， 并使估算变形点焊连接的疲劳寿命而不进行额外的疲劳测试成为可能。 总之，这些方法其本上是基于对于焊点复杂力场的分析，或使用这些分析的 结果，因此使用起来十分繁琐，且有时达不到较理想的结果。而使用模态分析方 法预测焊点的疲劳寿命，不需要对焊点进行复杂的应力应变分析，是一个有研究 潜力的方向。 在单点点焊试件的疲劳过程中，裂纹在焊核的两侧萌生和扩展。而对于双点 点焊试件，裂纹在每个焊核的一侧萌生和扩展，最终的断裂形式也有所不同。这 是由于它们的结构不同导致其焊核所处的应力状态不同所致。不同的裂纹使试件 的固有频率下降的幅度不同，这也导致双点点焊试件与单点点焊试件在疲劳过程 中的损伤是不同的。实际中多为多点焊接头，所以，在对单点点焊试件研究的基 础上，有必要对双点点焊试件在疲劳过程中的动态响应及其疲劳损伤进行研究， 为进一步研究多点焊结构的疲劳强度打下基础。 1 5 本论文所要研究的内容 本文为北京市自然科学基金项目( 批准号：3 0 4 2 0 0 3 ) ，北京市人才强教计划 北京工业丈学工学硕士学位论文 资助项目部分研究内容。 具体研究内容如下： ( 1 ) 合理地设计和完成双点点焊试件的拉一剪疲劳试验。 ( 2 ) 探讨双点点焊试件的裂纹萌生及扩展机理，及其与单点点焊试件的裂 纹萌生及扩展机理有何不同。 ( 3 ) 通过点焊试件的疲劳试验和动态响应的测试，研究双点点焊试件在疲 劳过程中的动态响应的变化特性。 ( 4 ) 建立合理的有限元模型，并用有限元软件模拟试件的动态响应特性。 ( 5 ) 在试验及有限元模拟的基础上，对双点点焊试件进行疲劳损伤及疲劳 寿命的预测。 第2 章双点点焊试件疲劳试验 2 1 引言 第2 章双点点焊试件疲劳试验 电阻点焊技术广泛应用于航空、航天、原子能、电子技术、汽车制造等工业 部门，其作用是极其重要的。由于现代汽车越来越朝着高强度和可靠性，重量轻， 节省燃料的方向发展而越来越多地采用较薄的高强钢板，点焊接头的刚度由于板 变薄而下降，使其疲劳强度减弱。技术人员在设计中应把焊点的疲劳陛能作为汽 车安全可靠性的一项重要参数，需要对点焊试样进行循环加载的疲劳性能进行评 价。因此，进行点焊试件疲劳试验研究，就可以促进人们对点焊试件应力状态下 裂纹形成和扩展的微观机理的了解。从而达到预测试件疲劳寿命的目的。 2 2 点焊试件疲劳试验 2 2 1 试件材料及结构 为了尽可能接近焊点在汽车上的实际服役条件，试样形状、加载方式的选取， 均要考虑到使其能够反映汽车上点焊接头的真实受力状况。其中单点焊接头是最 基本的研究基础单元，因而研究得也最多，但实际结构中绝大多数是多点焊接头， 所以，本试验在单点焊接头研究的基础上，完成了双点点焊试件的拉一剪疲劳试 验。 我国汽车生产目前基本上仍是采用低强度冷轧钢板，本试验所用试件材料选 用北京戴姆勒一克莱斯勒奔驰公司生产的汽车车身所用的镀锌低碳钢( 钢号为 b j x h 5 0 ) ，所用焊接工艺与生产一线的汽车车身焊接工艺相同，具体工艺参数 见表2 - 1 。此外，冷却时间为2 周波，预压时间为2 0 周波，维持时间为7 周波。 表2 - 1 试件焊接工艺参数 t a b 2 - 1t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f w e l d 点焊试件尺寸如图2 - 1 ，材料的屈服强度口，为3 7 3 m p a ，抗拉强度6 为 4 8 5 m p a ，弹性模量e 为1 9 8 4 4 27 g p a ，泊松比_ 为o 2 9 ，试件厚度t 为1 5 m m ， 焊核的直径为5 4 m m 。 北京工业大学t 学硕士学位论文 - 3 l 、 t = 1 s n n p 4 留2 1 双点点焊试件形状及尺寸 f i g 2 1s h a p ea n dd i m e n s i o n s o f t h ed o u b l e r s p o tw e l d e ds p e c i m e n 2 2 2 疲劳试验机 试验在图2 2 所示m t s 8 1 0 拉一压龟液伺服疲劳试验机上进行。电液伺服系 统可用作拉伸、压缩、低周和高周疲劳、断裂力学等试验。再配备上相应的附件， 即可进行疲劳裂纹扩展，模拟实际工况，以及高低温力学性能等试验，因而在航 空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了广泛的应用。电液伺服技 术是实现动态高周疲劳、程控疲劳和低周疲劳以及静态的恒变形速率、恒负荷速 率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。 本试验所用试验机的性能参数见表2 2 ，本试验机输出载荷类型和加载波形 可以任意选择，可做对称循环和非对称循环，恒幅和变幅等试验，易于实现程序 控制，频率范围广。与电子计算机配合，可以实现加载的自动控制。 图2 - 2m t s 8 1 0 屯液伺服疲劳试验机 f i g ，2 - 2m t s 81 0s e v o h y d r a u l i cm a t e r i a lt e s ts y s t e m 表2 2m t s s l 0 电液伺服疲劳试验机的性能参数 t a b 2 - 2p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f m t s 8 1 0s e l n o h y d r a u l i cm a t e r i a lt e s ts y s t e m 静载范围动载范围行程范围 频率范围 轴向 1 0 0 k n1 0 0 k n1 0 0 m m 0 0 0 3 5 0 h z 2 2 3 疲劳试验参数 本文试验采用双点点焊拉剪试样进行疲劳试验，所有的疲劳试验均在 m t s 8 1 0 电液伺服试验系统上进行，在室温环境下控制应力加载，为了简化过程， 突出研究重点，采用恒幅加载，由于点焊试件不能承受压载荷，因此载荷比 r = f m 。取正值。具体试验参数见表2 3 ，其中带+ 号试件为进行动态响应的试 件。疲劳试验过程中，当试件破坏时，疲劳试验机自动停机，其循环数定义为疲 劳寿命。 表2 - 3 点焊试件加载参数和疲劳试验结果 t a b 2 - 3l o a d i n gp a r a m e t e r sa n df a t i g u et e s t i n gr e s u l t sf o rs p o t - w e l d e ds p e c i m e n 2 3 试验结果及分析 试验中记录试样在某一循环载荷水平作用下到达破坏时的循环数或寿命n ， 这里的破坏是指断裂。对一组试样施加不同载萄幅的循环载楚，就得至q 一组破坏 循环数。以循环载荷中的最大载荷f 为纵坐标，破坏循环数为横坐标，根据 试验数据，绘出图2 3 所示的f 双对数曲线。以载荷幅为纵坐标，破坏循环数 为横坐标，根据试