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基于动态响应分析的点焊接头疲劳损伤与寿命预测

王瑞杰  
【摘要】: 电阻点焊是现代机械制造工业中广泛应用的工艺,广泛应用在汽车、机车、地铁等车辆车身结构。由于点焊联接发生疲劳破坏时,疲劳裂纹的萌生位置不便于观测,且焊点常处于复杂应力状态,力学分析十分困难,如何准确地预测焊点疲劳寿命始终是研究中的一个难点。 模态分析技术因其对结构无破坏性已成为故障诊断的重要方法,且十分有效,因而本文采用模态分析的研究方法,从理论和实验方面研究了点焊接头的疲劳损伤与寿命预测方法。在实验结果的基础上,结合损伤力学、模态分析理论和有限元方法建立了固有频率变化与疲劳损伤的关系和点焊试样的疲劳寿命预测模型,并基于焊点弹塑性有限元分析结果,利用局部法估算了点焊试样的疲劳寿命。论文的研究内容有以下几个方面: 首先,对两种拉剪点焊疲劳试样进行恒幅疲劳加载,得到了试样在一定载荷水平下的疲劳寿命,并测量了试样在疲劳过程中固有频率随寿命的变化,观测了疲劳裂纹的形状与位置。发现疲劳裂纹萌生于两板接触面处焊点边缘,裂纹呈现半椭圆形表面裂纹形式。固有频率随着疲劳寿命的增加有逐渐下降的趋势,在疲劳寿命开始时几乎无变化,随着疲劳寿命的增加,变化逐渐明显,在疲劳寿命临近结束时急剧变化,在整个疲劳破坏过程中,呈现加速下降的趋势。而阻尼随疲劳寿命的变化并不显著。 其次,对点焊接头疲劳裂纹扩展进行了动态有限元分析,模拟了裂纹扩展过程中试样固有频率的变化。对比实验测量与有限元模拟得到的前几阶固有频率的变化,发现一阶固有频率的变化对于裂纹的存在最敏感,因而考虑使用一阶固有频率的变化表达损伤的程度。基于损伤力学中承载面积变化所代表的损伤,提出了一个由固有频率变化表达的疲劳损伤参量。利用恒幅下固有频率变化所代表的损伤,建立了恒幅载荷下损伤随寿命的演化方程,点焊试样的寿命预测公式,以及一定循环数时依据所测量的固有频率数据进行疲劳寿命预测的模型。对恒幅加载下疲劳寿命到一定循环数时的试样,依据所测量的固有频率数据,结合损伤演化方程,进行了寿命预测,得到了较好的预测结果。 然后,分别在两级载荷,多级变幅载荷和随机载荷下,对拉剪点焊试样在疲劳过程中的固有频率的变化进行了测量。基于所定义的损伤,对两级载荷、多级变幅载荷和随机载荷作用下点焊试件的疲劳损伤进行了分析和寿命预测。对于两级加载的情形,线性损伤累积结果表明,焊点边缘具有明显的缺口效应。两级加载下载荷次序对累积损伤有一定的影响,但影响并不显著。多级变幅加载下损伤累积结果表明,载荷次序对于点焊试样在多级变幅加载下的累积损伤影响不明显。随机加载下寿命预测结果表明,所提出的寿命预测模型可较好地用于随机历程下寿命预测。 最后,将焊点处按照实际试样的结构形式建立了具有尖锐缺口的有限元模型,利用硬度与材料循环性能之间的关系,对点焊试样进行了弹塑性有限元分析;利用计算得到的应力应变结果和硬度与疲劳性能之间的关系,应用局部法对不同载荷水平下的疲劳试件进行了疲劳寿命预测。


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