工程预测焊点疲劳寿命
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。
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施作者：王玉华缪卓君来源：《甘肃科技纵横》2022年第02期摘要：基于焊接结构疲劳破坏分析，从焊接接头形式与应力集中、焊接热影响区金属性能的变化及应力特征、焊接缺陷与环境介质等角度分析了焊接结构疲劳断裂的影响因素。
结合已有的研究，从疲劳裂纹萌生机理与疲劳断裂过程的主要阶段分析了焊接结构疲劳失效的机理与过程，焊接结构疲劳失效的主要阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。
基于断裂力学理论，介绍了焊接结构疲劳寿命评估方法，并从抗疲劳设计、控制焊接过程中产生的残余应力、焊接位置或母材的表面处理等角度介绍了常见的焊接结构抗疲劳措施。
本研究对于焊接结构疲劳寿命研究及抗疲劳设计，具有一定的参考与借鉴意义。
关键词：结构工程；焊接；疲劳寿命；抗疲劳措施中图分类号：TU391文献标志码：A0引言在现代钢结构的应用与连接中，焊接连接方式是最主要的连接方式之一[1，3]，其具有构造简单、加工便捷、连接性能优异、用料节省、适合工业化生产等诸多优点，故被广泛应用于房建结构、航空航天、海洋平台等领域[2～5]。
然而，绝大多数的焊接结构都在交变应力作用下工作，长期的循环交变应力作用会导致结构出现疲劳破坏[1，2，5]，加之焊接结构本身的特点，焊缝区与母材由于加工过程及本身的力学特点，在焊接接头位置出现二者的力学性能不匹配，疲劳作用下极易在接头位置产生裂纹及其他缺陷，极大地降低了焊接结构的抗疲劳性能及服役性能[3，5，6]。
大量统计表明，金属结构由于疲劳导致的失效，占总失效形式的70%以上。
钢结构在发生疲劳破坏之前，并不会出现明显的塑性变形，是一种突然发生断裂的破坏形式[5～9]，一般的疲劳破坏断面成断口平直的形式，因此，疲劳破坏是一种反复应力或荷载作用下的脆性破坏形式。
焊接构件在加工过程中，会出现不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊缝内存在气孔、焊接出现欠焊等现象，导致焊接结构焊缝存在咬边、未焊透等焊接缺陷及施工误差，加之焊接结构由于其自身会在整体几何形状不连续处引入焊接连接方式，进一步导致焊缝部位在荷载作用下出现严重的应力集中现象[7～13]。
焊点可靠性之焊点寿命预测
焊点可靠性之焊点寿命预测— 1 —焊点可靠性之焊点寿命预测在产品设计阶段对SMT 焊点的可能服役期限进行预测，是各大电子产品公司为保证电子整机的可靠性所必须进行的工作，为此提出了多种焊点寿命预测模型。
(1) 基于Manson-Coffin 方程的寿命预测模型M-C 方程是用于预测金属材料低周疲劳失效寿命的经典经验方程[9]。
其基本形式如下：C N p f =ε?β(1-1)式中 N f —失效循环数；εp —循环塑性应变范围；β, C —经验常数。
IBM 的Norris 和Landzberg 最早提出了用于软钎焊焊点热疲劳寿命预测的M-C 方程修正形式[2]：)/exp()(max /1kT Q Cf N n p m f -ε?= (1-2)式中 C, m, n —材料常数；Q —激活能；f —循环频率；k — Boltzmann 常数；T max —温度循环的最高温度。
Bell 实验室的Engelmaier 针对LCCC 封装SMT 焊点的热疲劳寿命预测对M-C 方程进行了修正[10]：c f f N /1'221???? ??εγ?= (1-3))1ln(1074.1106442.024f T c s +?+?--=-- (1-4)式中?γ —循环剪切应变范围；f 'ε—疲劳韧性系数，2f 'ε=0.65；c —疲劳韧性指数；T s —温度循环的平均温度。
采用M-C 型疲劳寿命预测方程，关键在于循环塑性应变范围的确定。
主要有两种方法：一种是解析法[10,11]，通过对焊点结构的力学解析分析计算出焊点在热循环过程中承受的循环应变范围，如Engelmaier 给出[10]：—— 2 40010)]()([2-?-α--α=γ?T T T T h Ls s c c (1-5)式中 L — LCCC 器件边长；h —焊点高度；αc , αs —分别为陶瓷芯片载体和树脂基板的热膨胀系数；T c , T s —分别为陶瓷芯片载体和树脂基板的温度；T 0 — power-off 时的稳态温度。
08LMS Virtual.Lab Durability焊缝的疲劳寿命预测
23 copyright LMS International - 2013
建议
如果零部件存在预应力(或是你不确定是否有预应力):
疲劳参数选择 "RxMS: normal stress" SN 曲线使用“R=0.4” (最保守的,由欧洲焊接标准或国际焊接学会推荐)
如果没有预应力:
200
SE
initiation
surface coordinate
105
106
number of cycles
Kt, r=1mm ∙ SE = eE
应力集中系数 通过几何计算得到 零件的疲劳极限( 物理试验) 焊缝材料的疲劳极限 (反算)
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反算焊缝材料的疲劳极限
probability P, %
99
250次以上的试验得到的结果
R=0
T 10%/90% = 1 : 1.25
焊根和焊角是裂纹的起始位置 拟合的很好 标准焊缝的离散带较小
90 422 MPa 50 312 MPa
LMS基于力的焊缝疲劳分析
在焊缝有限元模型上读取载荷 (焊缝位置的力和力矩)
将焊缝位置的载荷转换成焊缝子 模型边缘的载荷 将载荷加载到精细化的3D 模 型上并计算应力
15 copyright LMS International - 2013
LMS b 焊缝疲劳分析方法
焊缝建模可以使用以下几种形式: Shell-Shell 连接 包括三种连接方式：节点耦合，壳单元连接，刚性单元连接 Shell-Solid 连接 壳单元与实体单元用RBE3连接 Solid-Solid 连接 通过外部文件定义焊缝连接
极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测
第38卷第10期焊接学报8938 N o. 10 2 0 17年 10 月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION O ctober 2017极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测田茹玉\王晨曦\田艳红\赵利有2(1.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001;2.上海航空航天技术研究院，上海201109)摘要：深空探测的环境多为极低温大温变环境，研究电子器件在此极限条件下的可靠性具有重要意义.采用多 线性等向强化（M I SO)本构模型描述S n63Pb37 P S n96. 5Ag3.0C u0. 5 (SAC305)焊料的力学本构行为，分析陶瓷球 栅阵列（ce ramic b all g rid array，CBGA)焊点阵列在极限温度（-180 ~+150 j)热冲击载荷下的应力应变分布情 况，最后根据基于能量的D a r e u x疲劳模型预测CBGA焊点的热冲击疲劳寿命.结果表明，局部热失配导致应力最 大点出现在边角焊点陶瓷载体一侧的焊盘与钎料界面，极限温度热冲击载荷下焊点的疲劳寿命远低于标准温度循 环载荷下的疲劳寿命.关键词：陶瓷球栅阵列；极限温度；热冲击；疲劳寿命；有限元中图分类号：TG405 文献标识码：A doi：10.12073/j.hixb.201512080050序 言航天技术水平是国家综合实力的重要体现，月球、火星等深空探测是近年来全球航天技术的热点 领域.电子设备是深空探测器的重要组成部分.焊 点在电子系统中起着机械支撑、电气连接和信号通 道的作用.大量研究和应用实例表明，互连焊点是 电子系统中最脆弱的部位，电子系统的失效多由互 连焊点的失效引起，其中，温度因可以改变焊点内应 力和微观组织，是焊点失效最重要的影响因素之一.深空探测环境多为极低温大温变环境[1]，例如 月球（-180 S+150 j)，火星（-140 ~+20j)，木卫二（-188 143 °C)等.为保证电子产品在极端环境中的可靠运行，目前一般都采用热保护方 式来维持电子器件的环境温度.但是一些舱外设备，如太阳翼上电池片互连焊点，由于难以采用热控 措施，将直接暴露在极端温度环境下.极低温、大温 变的工作环境中，电子产品封装材料之间的热膨胀 系数不匹配，将在焊点内部产生热应力，从而导致焊 点中裂纹的萌生和扩展，最终失效.因此，有必要对 典型器件焊点在极低温、大温变条件下的可靠性进 行研究.目前对于电子器件可靠性的研究主要集中在 -40 ~+125j，-55 ~+125j及 0 ~+150j等 标准温度范围之内[2-3].从2000年开始，N A S A以收稿日期：2015 -12-08基金项目：上海航天科技创新基金资助项目（SAST201465)及欧盟宇航局等机构与一些高校以及研究所采用的 加速寿命试验的方法就-185 ~+125 j极低温大 温变环境下B G A，QFP，C G A等典型器件焊点可靠性 开展了一系列研究工作[4_5].Ramesh a m等人[4]研 究了 CCGA717 器件 Sn63Pb37 焊点在-185 ~+12 j极限温度热循环条件下的可靠性，发现经历664 周循环时，63.2%的菊花链发生失效.采用试验手段 研究焊点可靠性需要耗费大量的人力物力，而数值模 拟能有效分析焊点的应力应变，短时间内预测电子器 件的寿命，被广泛应用于焊点热疲劳行为的研究.文中借助有限元分析软件，通过采用多线性等 向强化(MISO)本构模型描述焊点的力学本构行为，研究典型C B G A焊点在极限温度（-180 ~+150 j)热冲击条件下的应力应变分布，并基于Darveaux 能量模型预测焊点的疲劳寿命.1有限元模型的建立!1C B G A有限元模型及网格划分选用T opline公司标准封装尺寸的16 X16封装 阵列的C B G A作为模拟对象.为了忽略器件本身内 部结构对文中计算结果的影响，将器件模型简化为 陶瓷载体、焊球阵列、铜焊盘以及P C B基板五层结 构.器件结构尺寸见表1.为简化问题的求解，在建 立C B G A模型时做出以下假设：（1)整个结构中除 了钎料定义为多线性等向强化材料，其它材料均设 定为线性材料；（2)假定模型各个部分温度始终相 同，忽略热传导和热对流所带来的影响；（3)焊球为94焊接学报第38卷顶球体，焊接界面接触良好，焊点致密，无空穴、气 孔等缺陷.表1 CBGA 器件结构尺寸Table 1 Geometry of CBGAmodel类尺寸3/m m类尺寸3/m m焊盘上侧厚度0.05焊盘下侧厚度0.05上焊盘直径0.60下焊盘直径0.60焊球间距 1.27球径0.75A 6M 基板厚度1.80A 6M陶瓷外形尺寸21 X 21P C B 基板厚度2.00P C B 基板外形尺寸55 x 55文中重点研究焊点的应力应变行为与疲劳寿 命，故划分 时焊点的 划分较细.在热冲击过程中由同的系数，导致边角处的热应力最大，最失效[2].此边角处三个焊点的 划分最细，其余分 .模型具有结构和约束的对称性，为节省计算时间，采用1/8对 称模型.网格划分后的模型如图1所示.图1 CBGA 封装模型的网格划分Fig . 1 FEM model of CBGA package19温度加载与材料参数选择为了研究极 、大 条件下器件焊点的可靠性，将模型的热冲设定为-180〜+ 150j， 时为5t ，中峰值内各保900 S，为 1 810 t 热冲图2所示.图2热冲击温度曲线Fig . 2 Temperature curve of thermal shock 文中主要研究-180〜+ 150 j 热冲击下焊点 的可靠性，目有适用此低温的Anand参数.MIS 0模型使用化的应力-应 ，用多线性来表示Von M is e T ，适用于大应变分析.因此，采用MIS 0. 模型描述钎的力学行为，适用基的相关塑性.模拟过程中输入的应力应 用拉伸试验得到的结果(图3).模型中各相关材料的参数如表2所示[6].图3不同温度下钎料拉伸应力-应变曲线Fig . 3 Tensile stress - strain curves of solders at different temperatures采用A N S Y S 有限 件，利用MIS 0模焊点疲劳寿命.锡基钎料的单元类型为S 9d 185,型，分析极限冲击下焊点的应力应变行为，分用S 9d45.第10期田茹玉，等：极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测95表2模型中材料性能参数Table2 Properties of materials in FEM model材料弹性模量.M P a热膨胀系数$/(10-6K-1)泊松比MSn63P b3775 842 -152T( K)24.50.35 S A C30586748-176T( K)250.35铜焊盘128 93213.8+9.4x10-3T0.34陶瓷82 00070.26PC B 27 924-37T(A B)12 204-16 T(Z)16 (XY)84 (Z)0. 11(X Y)0. 39 ( YZ&XZ)2计算结果与分析29C B G A关键焊点位置图4和图5为-180〜+150°C热冲击载荷下，第九冲击中S n63P b37焊点的应力和应图.可以，B G A器件中应力、应最大的位置均距离器件中心最远（角"的焊点上，S A C305焊点的应力及应有类似结果，这是由于此失最严重.可见在热冲击条件下，边角最外侧焊点处最易由于应力应大而萌生裂纹，导致器件失效，是C B G A焊点阵列的关键焊点（最危险焊点）•图4 -180 X保温后Sn63Pb37焊点应力分布Fig.4 Stress distribution of Sn63Pb37 solder joints after dwelling at -180 X图5 +150 X保温后Sn63Pb37焊点应变分布Fig.5 Strain distribution of Sn63Pb37 solder roints after dwelling at +150 X 29C B G A关键焊点应力结果分析最大应力应在边角最外侧焊点，所以选取关键焊点进行应力分析.图6为第冲击过程中关键焊点的应力云图，极限（+ 150C"开始和极限（-180C"保温开始最大应力在S n63P b37焊t 面的左上角，即陶瓷载体一侧焊盘与界面，S A C305关键焊点的应力分布基本相同.研究表明，热循下速，允系统达到均匀，失由整体热失成，因此循环下C B-G A器件焊点的失一般基板一侧焊盘与界面;热冲的速，失由局失成的，失在陶瓷载体一侧焊盘与界面上[&].图6第十个温度冲击中边角焊点应力分布Fig.6 Stress distribution of the corner during the 10th temperature shock取S n63P b37和S A C305焊点应力最大节点，即 105节点进行应力分析，应力冲击的变化如图7所示.发现无论是S n63P b37还是S A C305,应力冲性变化.极限保温，应力$降，焊点内部应力急增大，升时，相.：由降低，与铜焊盘的系数失增大，钎96焊接学报第38卷的弹性模量 大，温度降至极限-180°C V应力值最高，Sn63Pb37焊点的最大应力值为142 MPa，SAC305 达到 166 MPa.Sn63Pb37 和 SAC305 焊点分别在经过第六和第 ，应力趋 .此夕卜，对比两条应力 ，SAC305焊点的应力略 同条件下Sn63Pb37焊点的应力值，这是由 SAC305 的性模量Sn63Pb37 ，而两者的 系数相 大，故近似的应变产生的应力也更高.由分析可 冲 下最大应力 角最外侧焊点的上侧焊盘与 交界处，因此焊点的最 点，可用于焊点寿命 .图7 CBGA器件焊点105号节点的应力曲线Fig.7 Stress curves of105th node in CBGA package2.3寿命预测结果分析采用基于能量的Darveaux模型计算焊点在每循 的裂纹萌生和裂纹扩展率，在此基上 焊点的疲劳寿命.Darveaux模型中关于裂纹产生和裂纹扩展的 式[8]为1=X (A?ae)X2(1)d adN=X3(A?ae)X4(2)1 :a=0+d a/d1(3)N%'A?A?ae= ：11(4)式中(1为焊点中裂纹萌生时经历的周期数;1为焊 点的 疲劳失效寿命，即失效率为63. 2%时经历的数;#为断裂 ，在里取焊球和铜焊盘的连接直径;d#/d1为裂纹扩展速率;表示体积为R的第： 的塑性应 ；A?ae为两循环的累计 性应 ；X，X，X和X为裂纹扩展常数.分别提取Sn63Pb37和SAC305最边角焊点的 A?a V e，Darveaux寿命预测公式，可分别得到Sn63Pb37 和 SAC305 焊点在-180 〜+ 150 C热冲击下的疲劳寿命预测结果，见表3.表3焊点疲劳寿命预测结果Table3 Fatigue life of solder joints裂纹萌生时的循环数特征疲劳失效寿命焊占1(周）1(周）S n63P b37 77 207S A C305 163 373从表3中可以看出，SAC305焊点裂纹萌生时的 循 次和 疲劳寿命都略 同条件下的Sn63Pb37焊点，说明SAC305器件焊点相比Sn63Pb37焊点具有更高的可靠性；文[9]显示C B G A在-55〜125 C循环下的疲劳寿命在1 142〜2 320周次之间，极限 冲击下焊点的疲劳寿命远 此，由速的 冲击导致焊点发生 形，内应力大量 ，不太可生蠕变，而极限 冲击的大范 化导致黏塑性功增大[10]，此焊点的疲劳寿命大幅度降.3结论(1)极限温度（-180〜+150 C"热冲击载荷 下，C B G A器件关键焊点 角最外侧焊点处;较的速率导致 失配，因此应力最大值 在边角焊点陶瓷载体一侧焊盘与界面.第10期田茹玉，等：极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测97(2)焊点内部应力随温度载荷呈周期性变化; 温度降低时，热膨胀失配度增大，且钎料低温时弹性模量相对较高，导致焊点应力急剧增大;温度升高时，正好相反;保温阶段，应力水平保持不变.(3)S A C305焊点的应力总是略高于相同温度载荷条件下的S n63P>37焊点.(4)基于D a r v e a u x模型，对C B G A焊点的疲劳寿命进行预测，发现S n63P>37和S A C305两个焊点在_1"0~+150°C热冲击载荷下的特征疲劳寿命分别为207周和373周，远低于-55~125°C温度循环下的疲劳寿命，为评定C B G A焊点在极低温大温变条件下的可靠性提供了理论依据.参考文献：& 1'R a h i m M K，S u h lin g J C , Jaeger R C , et al.R e lia b ility o f f lipc h ip assem blies subjected to extreme lo w te m p e ra tu re s&C] )T h eT e n th In te rs o c ie ty C onference on T h e rm a l and T h e rm o m e ch a n ica lP henom ena in E le c tro n ic s S ystem s，I E E E，2006：1379 -1389.[2]韦何耕，黄春跃，梁颖，等.热循环加载条件下P B G A叠层无铅焊点可靠性分析[J].焊接学报，2013, 34(10":91 -94.W e i H e g e n g，H u a n g C h u n y u e，L ia n g Y in g，et al.R e lia b ility analysis o f p la s tic b a ll g rid a rra y d o u ble -bu m p lead - free solderjo in t u n d e r th e rm a l c y c le[ J]. T ransactio ns o f th e C h in a W e ld in gIn s titu tio n，2013，34(10)：91 -94.[3]叶焕，薛松柏，张亮，等.C S P器件无铅焊点可靠性的有限元分析[J].焊接学报，2009, 30(11":93 -96.Y e H u a n，X u e S o n g b a i，Z ha ng L ia n g，et a l. F in ite elem e nt analysis on r e lia b ility o f lead - fre e soldered jo in ts fo r C S P d e v ic e[J].Transactio ns o f the C h in a W e ld in g In s titu tio n，2009，30(11)：93-96.[4]R a m e s h a m R. R e lia b ility assessm ent o f ce ram ic c o lu m n g rid array(C C G A717)in te rc o n n e c t packages u n d e r extrem e tem peraturesfo r space a p p lic a tio n s( -185 C to + 125 C) & C]) Proceedings o f S P LE—the In te rn a tio n a l S o ciety fo r O p tics and P h o to n ic s，2010, 7592：75920F-1-16.[5]Ram esham R. R e lia b ility o f h ig h I/O h ig h d e n s ity C C G A in te rconn ect e le c tro n ic packages u n d e r extrem e th e rm a l enviro nm e nts& C]) P roceedings o f S P LE—the In te rn a tio n a l S o ciety fo r O pticsand P h o to n ic s，2012，8250：82500A - 1 -15.[6]田艳红，贺晓斌，杭春进•残余应力对混合组装B G A热循环可靠性影晌[J]•机械工程学报，2014, 50(2)：86-91.T ia n Y a n h o n g，H e X ia o b in，H a n g C h u n jin. Infliae nce o f tlie h yb rid B G A re s id u a l stress a fte r re flo w on the th e rm a lc y c lin g re liab ilit y [ J].Jo u rn a l o f M ec h a n ic a l E n g in e e rin g，2014，50(2)：86-91.[7]G h a ffa ria n R. A cce le ra te d th e rm a l c y c lin g and fa ilu re m echanism s fo r B G A and CSP a s e m b lie s & J ].Jo u rn a l o f E le c tro n icP a c k a g in g，2000, 122(4)：335 -340.[8 ] D a rvea ux R. E ffe c t o f s im u la tio n m eth odology on so ld e r jo in tcra ck grow th co rre la tio n and fa tig u e life p re d ic tio n[ J]. Jo u rn a l o fE le c tro n ic P a c k a g in g，2002，124(3)：147 -154.[9]G h a fa ria n R. C C G A p a c k a g e s fo r space a p p lic a tio n s[ J]. M ic roele ctro n ics R e lia b ilit y，2006，46(12)：2006-2024.[10]C h aparala S C，Roggem an B D，P ita rre s i J M，et a l. E ffe c t o fgeom etry and tem p era ture cycle on the r e lia b ility o f W L C S P solderjo in ts[ J ].Com ponents and P a ckagin g T e c h n o lo g ie s，IE E ETransactio ns o n，2005，28(3)：441-448.作者简介：田茹玉，女，1988年出生，博士研究生.主要从事电子 封装可靠性方面的研究•E m a il：tia n ru y u3@163.c o m通讯作者：田艳红，女，教授•E m a il：tia n y h@h it.e d u.c n。
点焊结构疲劳寿命预测的新方法研究
点焊结构疲劳寿命预测的新方法研究李薇;王悦东【摘要】对基于力的LBF方法,主S-N曲线法,以及主S-N曲线法与LBF法相结合的方法进行研究,评估各种点焊疲劳评估方法的优缺点.针对同种材料及几何形状的剥离试件进行有限元建模,基于3种方法对点焊结构进行疲劳分析,预测点焊结构疲劳寿命,并与试验结果进行对比分析.分析结果表明,主S-N曲线法与LBF法相结合的疲劳分析方法具有兼顾建模效率和计算精度的优点,可以广泛用于车体部件点焊疲劳寿命的预测.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2019(057)003【总页数】4页(P27-30)【关键词】点焊;疲劳寿命;等效结构应力【作者】李薇;王悦东【作者单位】116028辽宁省大连市大连交通大学交通运输工程学院;116028辽宁省大连市大连交通大学交通运输工程学院【正文语种】中文【中图分类】TG4050 引言点焊是一种在车体金属板件连接方式中被广泛应用的工业技术[1]，具有质量小、静强度高、可靠性好、性能稳定和易于实现自动化等优点[2]。
在承载式车身中，点焊结构的强度决定了在车辆运营期间车体结构的整体性能[3]。
一些点焊接头都只承受剪切力，但焊点在一定的载荷条件下也受到显著的剥离力[4]。
点焊的应力状态与几何形状的结合导致应力集中，致使点焊附近出现疲劳裂纹。
疲劳裂纹的存在不仅降低结构性能，还会增加车辆结构噪声和振动，因此对点焊接头的疲劳寿命进行预测在车体结构设计中是非常重要的。
在对点焊结构的进行疲劳寿命预测时，基于力的LBF[5]方法模拟焊点时采用梁单元模拟焊核，通过提取作用在建立于网格节点之间模拟焊核梁单元的力和力矩，然后根据相应的计算公式得出焊接母材上结构应力，最后根据对应的S-N曲线得到疲劳寿命。
由于所提取的力和力矩对网格要求程度较高，导致建模过程中无法准确模拟焊点所在位置，并且梁单元与被连接板材之间是否垂直都会影响所提取的力和力矩的大小，从而导致预测精度偏低。
焊接结构疲劳寿命预测相关问题
原理
疲劳寿命预测的原理主要是基于疲劳破坏的机理和实验数据，通过建立数学模型和算法，对结构在循 环载荷作用下的疲劳行为进行模拟和预测。这些方法通常涉及到材料力学性能、断裂力学、有限元分 析等多个学科领域，需要综合考虑多种因素对疲劳寿命的影响。
控制焊接质量和残余应力
焊接工艺优化
选择合适的焊接工艺参数，确保 焊接过程中热量输入、冷却速度 等关键参数得到有效控制，以减
少残余应力和热影响区。
无损检测
采用无损检测技术，如超声检测、 射线检测等，确保焊接质量符合设 计要求，避免焊接缺陷对疲劳寿命 的不利影响。
残余应力消除
采用合适的热处理、机械处理等方 法消除或降低焊接残余应力，提高 焊接结构的疲劳寿命。
意义
疲劳寿命预测对于确保工程结构的安全性和经济性具有重要 意义，可以为设计提供理论依据，指导结构的优化设计和维 护。
焊接结构疲劳寿命预测的重要性和应用
重要性
焊接结构作为工程中广泛应用的结构形式，其疲劳寿命预测对于防止结构失效、保障人民生命财产安全具有重要 作用。通过焊接结构疲劳寿命预测，可以及时发现潜在的安全隐患，采取相应措施进行修复和加固。
03
解决方案
采用先进的无损检测技术对焊接缺陷进行检测和评估，结合荷载谱和环
境因素，利用疲劳寿命预测模型进行寿命预测，为桥梁的维护和修复提
供决策支持。
案例二：压力容器焊接结构的疲劳寿命预测
问题描述
压力容器在工业生产中广泛应用，其焊接结构的疲劳寿命直接关系到设备的安全运行和生产效率。
关键因素
焊接残余应力、工作压力、循环次数等。
FlipChip焊点振动疲劳寿命预测模型_王红芳
假设经过 1 h 的热循环和随机振动的作用, 由于热
疲劳而引起的损伤因子
D th = 1 131≈ 0. 007 633 6 再利用有限元应力 应变分析结果和振动疲劳寿命
预测模型, 求得 1Ρ、2Ρ、3Ρ 应变水平下的焊点振动疲 劳寿命N 1、N 2、N 3 分别为 1. 475 9×1017、2. 470 7×
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1856
上 海 交 通 大 学 学 报
第 35 卷
图 1 F lip Ch ip 焊点三维局部有限元模型 F ig. 1 FEM of the F lip Ch ip so lder jo in t
力 应变水平下的振动疲劳寿命. 再利用三带技术预 测随机振动下的疲劳寿命. 由随机理论可知, 1Ρ、2Ρ、 3Ρ 应变水平分别在 68. 31%、27. 1% 和 4. 33% 时间 内出现, 所以 1Ρ、2Ρ、3Ρ 应变水平下的焊点振动疲劳 寿命为
Εi =
0.
197
5N
i
0. 12 i =
A bs tra c t: A n advanced g loba l loca l fin ite elem en t m odeling (FEM ) techn ique com b ined w ith sup erelem en t techn ique w a s u sed to study SM T so lder jo in t vib ra t ion fa t igue on the ba sis of an exam p le of F lip Ch ip a s2 sem b ly. F lip Ch ip so lder jo in t vib ra t ion fa t igue life p red ict ion m odel w a s develop ed on the ba sis of th ree2 band techn ique and h igh2cycle fa t igue equa t ion. It is verified tha t vib ra t ion fa t igue ha s an im po rtan t effect on the F lip Ch ip so lder jo in t life by com p a ring therm a l fa t igue life w ith vib ra t ion fa t igue life. M eanw h ile, so lder jo in t crack p rop aga t ion a rea w a s determ ined by m ean s of st ress st ra in ana lysis resu lt s. Ke y w o rds: F lip Ch ip so lder jo in t; vib ra t ion fa t igue; therm a l fa t igue; fin ite elem en t ana ly sis (FEA )
09LMS Virtual.Lab Durability焊点的疲劳寿命预测
FORCES & MOMENTS
FORCE MPCFORCES
GPFORCE
SHEET THICKNESS
FE
FE
NUGGET DIAMETER
Solution parameters
FE / from Solution parameters / sheet thickness
11 copyright LMS International - 2013
对于nvh分析整体的刚度特性决定性能然而对于疲劳分析需要用局部应力来评价性能
LMS b Durability
焊点疲劳寿命预测
LMS b Durability – Software-Training Matthias Edinger – Customer Services Consultant
8 copyright LMS International - 2013
基于力的焊点疲劳分析
HEXA-Model CBAR-Model
Forces/Moments
Rupp Approach
Radial Stresses
Stress-Life Appoach
9 copyright LMS International - 2013
16 copyright LMS International - 2013
焊点网格精细化操作
焊点网格精细化操作 基于应力的焊点疲劳分析需要用网格划分 工具用来精细化焊点的局部模型。 相应的操作工具在Structures workbench 以下网格划分的细节可以被定义 环的个数 每个环上四边形个数 内圈直径 环的宽度
焊点分析– 基于力
1. 创建焊点疲劳分析工况 2. 在求解参数里面选择基于力的焊点疲劳分析方法 3. 自动探测焊点 4. 使用Rupp (spot welds) SN curve. 5. 分析计算 6. 计算结果在焊接位置板材的上表面显示，或是在 焊接位置以球形显示。
PCBA焊点可靠性预测
PCBA焊点可靠性预测一、预测焊点的可靠性焊接点的疲劳寿命预测对电子封装的可靠性评估是关键的。
在微电子工业中预测失效循环次数的标准方法是基于使用通过试验得出的经验关系式。
如果使用一个分析方法，通过都是使用诸如Coffin-Manson(C-M)这样的经验曲线。
通常，使用接合元件之间的CTE差别，计算出焊接点内最大的预测弹性与塑性应力。
大多数时间，使用塑性应变值，是用C-M曲线来预测焊接点的疲劳寿命。
通过研究者已经显示，这个方法对BGA封装所产生的结果是保守的。
例如，Zhao et al.已经从冶金学上证明，C-M方法不能用于微结构进化的材料，如锡铅焊锡合金1,2。
其理由是C-M方法没有考虑在疲劳期间材料特性的任何变化。
C-M方法假设，在每一个热循环中所经历的塑性应变在整个热循环过程中是保持不变的。
事实上，焊接点所经历的实际塑性应变在每个循环都由于微结构变粗糙而减少。
因此，C-M方法大大地低估了焊接点的疲劳寿命。
在本研究中使用一个损伤进化函数来量化焊接点的退化。
损伤进化函数是基于热力学的第二定律，并使用熵作为损伤度量。
Basaran 和Yan已经证明，作为一个系统失调度量的熵可用作固体力学的损伤度量标准3。
损伤进化结合到一个统一的粘塑结构模型中(在下面描述)，用来描述在热机负载下焊接点的循环疲劳特性。
二、构造模型试验结果显示，相对于懦变或粘塑应变，塑性应变对低循环疲劳寿命的影响是可能忽略的。
依赖时间的懦变形支配着焊接点的低循环疲劳寿命1,2。
这是因为共晶与近共晶焊锡合金一般预计由于其低熔点(183°C)在高同系温度下工作。
在高同系温度下，材料经历很大的懦性变形。
因此一个热粘塑结构模型对于建立焊接性能模型是必要的。
为了建立近共晶焊锡的第一、第二和第三懦变阶段模型，需要懦变率函数。
在高同系温度下的大多数金属与合金的稳定状态塑性变形的动力学可用Dorn懦变方程来描述4。
Kashyap与Murty已经从实验上证明，颗粒大小可以重大影响锡铅焊锡合金的懦变特性5。
基于AAR标准焊接结构疲劳寿命预测流程
基于AAR标准焊接结构疲劳寿命预测流程(1) 首先将预测对象离散成有限元模型，并指定具体待评估点的位置；(2) 从AAR 标准中选定合适的载荷谱；(3) 根据载荷谱中的指定值加载到有限元模型上，从而获得标定的应力分布；(4) 根据载荷谱的变化规律，获得预测对象的动应力分布；(5) 按照AAR 标准的要求，将评估点的双向应力等效处理；(6) 根据该点应力变化情况，求其循环特性；(7) 根据该点所在焊接接头型式，从AAR 标准中，选择建立修正Goodman 图的参数；(8) 根据Miner 损伤累计理论逐次计算待评估点的疲劳寿命。
AAR 标准疲劳分析原理由于焊缝形状所引起的局部应力集中，焊接残余应力引起的焊接热影响区应力状态复杂，焊接工艺的分散性等众多因素影响，恰当评估焊接结构疲劳寿命非常困难，目前通常采用的方法是对典型的焊接结构进行疲劳试验，得到其对应的S-N 曲线，根据S-N 曲线估算疲劳寿命。
北美铁路协会AAR 机务标准手册第七章《新造货车的疲劳设计》中，不但提供了非常有价值的常用焊接接头S-N 曲线，同时还提供了多种货车载荷谱，运用Miner 线性累积损伤理论，对货车结构的疲劳寿命预测，AAR 标准给出了一条完整的技术路线。
Miner 线性累积损伤理论Miner 线性累积损伤理论认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的不断作用而产生损伤并不断积累造成的。
疲劳损伤累积达到破坏时吸收的净功W 与疲劳载荷的历史无关，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。
设材料在某级应力下达到破坏时的应力循环次数为N1，经n1 次应力循环疲劳损伤吸收的净功为W1，根据Miner 理论有：W1 W =n1 N1则在i 个应力水平级别下，分别对应ni 次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：D=n iN i式中，ni 表示第i 级应力水平下经过的应力循环数；Ni 表示第i 级应力水平下的达到破坏时的应力循环数。
当D 值等于1 时，AAR 标准认为被评估对象开始产生疲劳破坏。
电子封装焊点可靠性及寿命预测方法
电子封装焊点可靠性及寿命预测方法ΞRE LIABI LITY AN D LIFE PREDICTION METH ODOLOGIES FOR SOLDER JOINTS OF E L ECTRONIC PACKAGES李晓延ΞΞ 严永长(北京工业大学材料学院,北京100022)LI X iao Y an Y AN Y ongChang(School o f Materials Science and Engineering,Beijing Univer sity o f Technology,Beijing100022,China)摘要 高功率、高密度、小型化是现代电子封装结构的基本特征,软焊料是电子封装中应用最广的连接材料,一个焊点的破坏往往导致整个封装结构的失效。
软钎料的无铅化是目前发展的重要趋势。
针对目前所开发的无铅焊料,文中介绍电子封装结构中焊点的破坏行为和焊点寿命预测的基本方法。
关键词 电子封装 无铅焊料 寿命预测中图分类号 TG407Abstract High power,high density and miniaturization are the basic characteristics of m odern electronic packages.S olders,as the im portant materials for microjoining and interconnection,play a fundamental role in the assembly of the devices.H owever,the fail2 ure of one s oldered joint is frequently found to be the origin of the failure of the whole package.The phase out of lead is the major target of next generation s olders.Based on the review of the developed Pb2free s olders and their applications,the failure behavior and the life prediction methodologies for Pb2free s older joints were presented and discussed.K ey w ords E lectronic p ack age;Pb2free solders;Life predictionCorresponding author:LI XiaoYan,E2mail:xyli@The project supported by the National Natural Science F oundation of China(N o.50475043),the Nature Science F oundation of Bei2 jing(N o.2052006)and the S pecialized Research Fund for the D octoral Program of Higher Education of China(N o.20040005012).Manuscript received20050301,in revised form20050423.1 引言微电子技术是发展现代电子信息技术的基础。
焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用
的疲 劳强度 一定 低于母 材 的疲 劳强 度．当研 究焊
接结 构 的疲劳 寿命 时 ， 必须把 重点 放在焊 缝上 ， 因
为应 力集 中主要 表 现 在 焊缝 上 ， 以焊接 结 构 的 所 疲 劳破坏 总是从 焊缝 开始 ； 而 ， 然 焊缝疲 劳寿命 的 可靠 预 测 ， 直 是一 个 世 界 范 围 内的难 题 ．就 当 一 前普 遍采 用 的疲 劳评 估标 准 而 言 ， 如北 美 铁 路协 会 Ａ Ｒ标 准 、 国钢结 构疲 劳评 估 标准 （ Ｓ 、 Ａ 英 Ｂ ） 欧
命 预测 一直很 难 深入 展 开 ． 忽 视 焊缝 上 的寿 命 而 预测 ， 者寿命 预测 的偏差 太 大 ， 出 的代 价都 可 或 付
能 很大 ， 因此有 人 将 焊 接结 构 焊缝 细节 上 的疲 劳 破 坏喻为 “ 藏在 细节 中 的魔 鬼 ” 是有 一 定 道 理 的． 最近， 已经 在 线 运 行 多 年 的 ２ ９ ０ Ｔ转 向架 焊 接 构 架 被发现 在横梁 腹板 与侧梁 下盖 板 的焊缝 出现 了 裂纹 （ 参见 图 ２ ， ） 由于它直 接影 响到 了行 车安 全 ，
一
改进 方 案．进 一 步 基 于 国 际 铁 路 联 盟 标 准
（ Ｉ ５ ５ 中对 铁 路 客车 转 向架 焊 接 构 架 规 定 的 ＵＣ １ ） 疲 劳试 验载 荷 ， 又对 原 设 计及 改 进 设 计 的疲 劳 寿 命 与损 伤进行 了计 算对 比 ， 得 出了相应 的结 论 ． 并
敏感 的结构应力法及主 ｓＮ曲线法》 ． 突破 了传统名义应力法 的局限性 ， 在机 车车辆焊接结构抗疲劳设计 过程 中， 具有重要工程推广价值 ．
关 键 词 ： 接 构 架 ； 缝 疲 劳 ；Ｅ 主 ＳＮ曲 线 法 焊 焊 Ｆ Ｍ； —
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究引言：焊接接头是工程结构中常见的连接方式，它的质量直接影响到结构的安全性和可靠性。
在实际应用中，焊接接头常常会受到疲劳载荷的作用，长期受力容易导致疲劳破坏。
因此，对焊接接头的疲劳寿命进行预测和优化是非常重要的。
一、焊接接头疲劳寿命的预测方法1.1 经验公式法经验公式法是一种简单而常用的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它基于试验数据和经验公式，通过对焊接接头的几何形状、材料性能和载荷条件进行分析，得出疲劳寿命的预测结果。
然而，由于经验公式法没有考虑到焊接接头的细节和复杂性，预测结果的准确性有限。
1.2 数值模拟法数值模拟法是一种基于有限元分析的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它通过建立焊接接头的有限元模型，考虑材料的非线性、接触和热力耦合等因素，模拟焊接接头在疲劳载荷下的行为，并预测其疲劳寿命。
数值模拟法可以提供较为准确的疲劳寿命预测结果，但需要大量的计算资源和较长的计算时间。
二、焊接接头疲劳寿命的优化方法2.1 材料优化焊接接头的材料选择对其疲劳寿命有着重要影响。
优选高强度、韧性和抗疲劳性能良好的材料，可以提高焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用表面处理、热处理等方法，可以进一步改善焊接接头的材料性能。
2.2 结构优化焊接接头的结构设计对其疲劳寿命同样至关重要。
通过减小焊接接头的应力集中区域、改善焊缝形状、增加半径过渡等措施，可以降低焊接接头的应力集中程度，提高其疲劳寿命。
此外，合理设计支撑结构和增加补强件等方法也可以有效提高焊接接头的疲劳寿命。
2.3 工艺优化焊接接头的工艺参数对其疲劳寿命有着重要影响。
通过优化焊接接头的焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度、焊接温度等，可以改善焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用预热、后热处理等工艺措施，也可以提高焊接接头的疲劳寿命。
三、焊接接头疲劳寿命预测与优化方法的应用案例以某桥梁焊接接头的疲劳寿命预测与优化为例，通过数值模拟法建立焊接接头的有限元模型，考虑接头的几何形状、材料性能和载荷条件等因素，预测焊接接头的疲劳寿命。
焊接结构的疲劳寿命预测
焊接结构的疲劳寿命预测1. 简介焊接是一种常见的金属加工工艺，广泛应用于制造业中的结构连接和修复。
然而，焊接接头常常面临着疲劳破坏的风险，因为焊接接头往往承受着来自外部载荷的变化和高强度的应力。
为了确保焊接结构的安全运行，预测焊接结构的疲劳寿命成为一项关键工作。
2. 疲劳寿命的影响因素焊接结构的疲劳寿命受多种因素的影响，下面将介绍其中的三个主要因素：2.1 材料特性焊接接头的材料特性对其疲劳寿命起着重要作用。
材料的强度、韧性和硬度等物理性质决定了焊接接头在承受外部载荷时的应力分布和变形程度。
此外，焊接接头的热影响区域也会发生显著的组织变化，进一步影响疲劳寿命。
2.2 焊接工艺焊接工艺参数的选择对焊接接头的质量和疲劳寿命有着直接的影响。
焊接电流、焊接速度、焊接温度等参数会影响焊接接头的组织和晶粒尺寸，进而影响接头的疲劳性能。
合理选择焊接工艺参数可以改善焊接接头的疲劳寿命。
2.3 外部载荷焊接接头在服役过程中会承受来自外部的载荷变化，如振动载荷、冲击载荷和静态载荷等。
这些载荷的大小、频率和工作条件都会对焊接接头的疲劳寿命产生影响。
因此，在疲劳寿命预测中，需要考虑外部载荷的特性。
3. 疲劳寿命预测方法针对焊接结构的疲劳寿命预测，存在多种方法和模型可以应用。
下面将介绍两种常用的预测方法：3.1 经验法经验法是基于大量试验数据和实践经验总结出来的一种疲劳寿命预测方法。
该方法根据焊接接头的材料、几何形状、应力水平等因素，使用经验公式来估计焊接接头的疲劳寿命。
经验法简单易用，但一般只适用于具有相似工况和材料的焊接结构。
3.2 数值模拟法数值模拟法是基于有限元分析和结构力学理论的一种疲劳寿命预测方法。
该方法通过建立焊接接头的有限元模型，并考虑材料非线性、温度场分布以及外部载荷等因素，利用数值求解方法来计算焊接接头的应力和变形分布。
然后，根据材料的疲劳性能曲线和疲劳强度理论，预测焊接接头的疲劳寿命。
4. 疲劳寿命预测的挑战和发展方向焊接结构的疲劳寿命预测仍然面临一些挑战。
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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数Nf小于过渡寿命Nc1的情况。
如果Nf>Nc1，那么应该用第二斜率b2。
对于每一个循环，平均应力可按下式修正，即计算R=0时的等效应力幅度(17)式中，M为平均应力敏感度，其典型值是0.1。
Rupp等人描述了对应于钢板和焊核的通用S—N曲线，数据有一个相当宽的分散带，部分反映了这些数据代表了多种钢板中的焊点，既有中强钢也有高强钢。
如果只对某一特定材料，分散带可能会窄一些。
2.3 损伤计算损伤计算在两块板和焊核中沿着焊点的周向以10°的间隔进行，因此，对于每个焊点，共108个疲劳计算。
通过静态放大叠加一组静态载荷结果，或通过瞬态有限元分析计算力和力矩；使用上面介绍的公式从力和力矩中计算每个计算点的有效应力变化；然后用雨流循环计数技术获得范围—均值直方图；最后根据直方图及Miner损伤累积规则计算疲劳损伤。
结果输出为两个文件：一个是MSC/PATRAN 2.5 .els文件，用MSC/PATRAN可以对它进行后处理；另一个为ASCII 文件，它包含了更为详细的结果，可用SPOTW进行后处理。
本文描述的方法计算量较大，计算时间基本上和载荷谱中的数据点数目成比例，因此，有效地过滤载荷输入能够节省大量计算时间。
3 计算简例3.1 实验室用试件图4 H型实验室点焊试件材料为V—1147中强钢，试件有两排焊点，每排5个，见图4。
试件受拉伸载荷，所以焊点承受剪切力。
一系列常幅疲劳试验已经进行，载荷比(最小载荷比最大载荷)为0.1。
图5 H型试件有限元模型试件的有限元模型见图5。
由于对称性，模型只是实际结构的一半。
模型中的板用壳单元模拟，而焊核用5个刚性梁单元模拟，梁单元的长度为两块板的厚度之和的一半。
这些试件的载荷—寿命曲线用上面介绍的分析软件进行预测。
计算所用的焊点S—N曲线为ST1403材料的焊点曲线，其板厚介于0.66～2.5 mm之间，焊点熔核的直径变化范围为3.5～6.5 mm。
图6比较了试验和计算结果，计算结果对应于3个不同的成活率。
图6 计算结果与试验结果比较焊点疲劳分析系统配有功能强大的后处理工具，比如它能按损伤值大小顺序显示各个焊点的疲劳寿命，也能显示某一个焊点的计算寿命、损伤值、结构应力和力等。
每个焊点共有108组结果。
利用MSC/PATRAN的图形显示功能，用户可以获得一个可视性很强的焊点寿命图，即图7 焊点极坐标损伤图在有限元模型中梁单元位置，用不同的颜色表达不同的寿命值范围。
另外，沿某一焊点环向的损伤分布可通过一个极坐标图表达，图7即为一个循环载荷(3 kN→30 kN→3 kN)所引起的最大损伤焊点位置的损伤极坐标图，图中的角度即为相对于焊点x轴(MSC/FATIGUE坐标系)的环向位置。
图8 T型梁试件的有限元模型3.2 T型梁它由厚度为1和0.8 mm的薄板组成。
该梁的有限元网格如图8所示，梁的两端固定，在垂直端受x和z方向的载荷。
表1列出了3种加载情况下的试验结果和分析结果。
分析中我们同样使用LBF给出的焊点通用S—N曲线。
上面的分析比较表明，试验结果与分析结果的关联似乎是合理的，分析结果比试验结果要保守一些。
表1 T型梁试件的预测寿命和试验结果比较载荷(N) 试验寿命(循环周数) 预测寿命(循环周数)F(x)变幅=157.5 R=0.1 460 000 536 300F(z)变幅=503 R=-1 70 000 35 024F(z)变幅=400 R=-1 290 000 134 5004 结语本文描述的焊点疲劳寿命预估软件系统主要基于德国LBF实验室Rupp等人的工作，是德国LBF疲劳实验室、英国nCode和美国MacNeal-Schwendler公司的一个合作成果。
通过有限元静态载荷分析或者瞬态分析，结合应力简化计算，它能计算实际载荷工况下的焊点疲劳损伤。
软件具有良好的用户界面，它能方便地帮助分析人员判断寿命最短的焊点位置。
当前这一系统已经用于汽车底盘、悬架系统以及车体的耐久分析。
但是这一技术还需要进一步的、广泛的试验验证。