工程预测焊点疲劳寿命

工程预测焊点疲劳寿命

介绍了一种预测焊点疲劳寿命的工程计算方法及其软件系统。这一方法用有限元中的刚性梁单元模拟焊核，用壳单元模拟连接板，求取通过梁单元传递的力和力矩；根据这些力和力矩计算焊核附近连接板和焊核周围的“结构应力”；然后通过一组以结构应力为控制参数的焊点S—N曲线估计焊点的疲劳损伤。描述了软件系统的框架和特点，用两个简单的例子说明这一方法的应用。结果表明，分析结果与试验结果相比有一定的保守性。

在汽车工业中，点焊被广泛地用于零部件和结构的制造。点焊构件的耐久性主要取决于焊点的疲劳强度。在一条生产自动线上装备一个焊点的点焊机械装置可能需要30万美元，为了补救某一问题而必须在生产时再增加一个点焊装置，其费用可能不止2倍。如果我们能在设计的早期预测焊点的疲劳寿命，那么显然这些费用可以降到最低点。更有意义的是，它也有助于缩短产品的开发周期，提高产品的质量。

Smith和Cooper用断裂力学方法研究过受剪切载荷焊点的疲劳寿命预测问题。

他们指出：“一个焊点也许可以被认为是一个外表面有一环向深裂纹的实心圆棒，当这一圆棒受一个Ⅰ—Ⅱ复合型载荷时，它会在最大的局部Ⅰ型方向产生分叉裂纹并扩展”。他们说明了根据计算的裂纹扩展速率可以较好地预测焊点的疲劳寿命，并用他们的计算结果作出一些简单的设计曲线。Smith和Cooper所建议的

方法基于对简单受剪搭接接头的有限元模拟，这种方法需要进一步的发展才能用于其它不同的焊点型式，处理变幅异相复杂载荷。发展的结果可能是一个简单的

专门针对焊点的规范，按照英国标准BS7608的方法，给出适用于不同点焊类型的载荷—寿命曲线族。

事实上，关联不同加载条件下焊点的疲劳强度，载荷是一个相当糟糕的参量。Raji 和Sheppard提到，不同型式受不同载荷的焊点，它的疲劳耐久性能够通过分析板内焊点周边的局部应力得到更好的理解，这一局部应力指的是焊点附近的结构应力。Rupp等人描述了如何计算这些结构应力。他们根据最大应力、最小应力和一个载荷谱对焊点的疲劳寿命进行了预测。本文介绍的技术类似于Rupp等人的工作，不同的是进一步地将结构应力计算与应力缩放、叠加以及应用瞬态有限元分析结果等方法结合起来。下面将先介绍软件的技术细节，然后给出两个说明简例。

1 方法概述

方法要求将焊点模拟成为MSC/NASTRAN中的刚性梁单元；经这些梁单元传递的力和力矩被用来计算结构(名义)应力，这些应力为围绕焊点熔核和连接板的局部应力；按照S—N总寿命方法，用这些结构应力预估焊点的疲劳寿命。

软件系统由一些经过修改的MSC/FATIGUE模块组成，它的核心为焊点疲劳分析器SPOTW，图1表示了这一软件的框架。该系统当前只支持两板焊点的疲劳计算。焊点应当用连接两板中面且垂直于这两个中面的刚性梁表达，而板用位于板中面的壳单元模拟。焊点的长度因此是板厚之和的一半。焊点附近的网格不需要做任何细化，对壳单元的唯一要求是它们能将正确的力传至刚性梁。事实上，使用大尺寸的壳单元(大于2倍的熔核直径)似乎能获得最好的结果，即最实际的连接刚

度。

软件的使用方式与标准的MSC/FATIGUE类似。通过填一组表格创造一个作业文件，这个文件包含了焊点的直径、板厚和疲劳性能参数信息。有一个解读器读这个文件，从MSC/PATRAN数据库中抽出所有的有关数据，写到一个中间文件中去。焊点分析器根据这个中间文件以及所需的载荷信号和疲劳性能数据，对每个焊点做寿命预测。最后输出2个计算结果文件，其中的一个文件为MSC/PATRAN的可读文件。下面将给出有关疲劳计算的一些细节。

图1 焊点疲劳分析系统框图

2 技术细节

2.1 结构应力计算

一个典型的焊点如图2所示。阴影部分为焊核，在有限元分析中，它被模拟成一个刚性梁单元，连接两块板的中面。梁单元的长度为0.5(s1+s2)，其中s1和s2

分别为板1和板2的厚度。点3位于焊核中心线两块板的接触位置，离点1的距离为0.5s1。所有的力和弯矩按图示的梁单元坐标系取。

图2 典型焊点示意图

解读器从数据结果文件中抽取3个指定点(1、2、3)的力(Fx、Fy、Fz)和弯矩(Mx、My、Mz)，抽取时需进行坐标系变换，从MSC/NASTRAN坐标系转换到MSC/FATIGUE 坐标系，见图3。这些力和弯矩(除了Mz)被用来计算板1和板2内表面以及焊点两板交接点，沿着焊核周向(θ=0°～360°，间隔为10°)的名义(结构)应力。点1和点2的力和弯矩为熔核施加到板上的载荷，而点3的力和力矩为上截面(点3和点2之间)作用于下截面(点1和点3之间)的力和弯矩。

图3

这些结构应力计算如下：

对于点1，板中内表面的等效应力为熔核周向位置角的函数，可写成

σv1=-σmax(Fx1)cosθ-σmax(Fy1)sinθ+σ(Fz1)+σmax(Mx1)sinθ-σmax(M y1)cosθ(1)

σ(Fz1)=0 (Fz1≤0)(5)

即只有熔核轴向力中的拉伸分量对损伤有贡献

式中，K1=0.6(这一常数作为对弯曲应力梯度影响的补偿)；d为熔核直径。所有的长度单位为mm；力的单位为N；力矩单位为N*mm。

点2的结构应力计算方程和点1基本类似，不再重复。

熔核中的应力计算有点不同。Rupp等人建议每隔10°计算多个平面上的正向应力，即用基于应力的临界面方法，这意味着对于每个焊核需要进行648(36×18)次计算。显然，这种方法计算量非常大。考虑到焊点一般不会因裂纹扩穿熔核而引起失效，除非焊核直径与板厚相比很小，焊点的主要失效模式是裂纹穿透金属板。笔者使用了两种快速方法：一是忽略熔核失效的可能性；二是用MSC/FATIGUE 中常用的绝对值最大主应力作为损伤参量，这种方法只需要做36次计算，其计算式为

τ=τmax(Fx3)sin2θ+τmax(Fy3)cos2θ(8)

σ=σ(Fz3)+σmax(Mx3)sinθ-σmax(My3)cosθ(9)

σ(Fz3)=0 (Fz3≤0)(13)

从熔核中的剪应力和正应力可以获得面内的主应力

(15)

式(15)中应力绝对值最大的主应力将作为损伤参量。

2.2 材料性能

软件系统需要一组载荷比R=0条件下的S—N曲线，分别对应于焊核和金属板。另外也需要平均应力敏感度系数和标准差参量。这些S—N曲线为专门的焊点S—N曲线，与常规的母材材料S—N曲线截然不同。这些S—N曲线的数学式可表示为

ΔS=SRI1(Nf)b1 (16)

式中，SRI1(应力范围截距)和b1(斜率)均为材料常数。上式适用于失效循环周