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双相钢点焊接头疲劳特性及寿命预测研究

许君  
【摘要】:面对能源短缺、环境污染等一系列21世纪人类文明发展的重要问题,轻量化技术是减轻汽车自重,降低燃油消耗,改善环境污染的有效方法,目前已成为各大汽车生产厂商提高核心竞争力的关键技术。使用以双相高强钢(Dual Phase steel)为代表的轻量化材料,能够在不降低车身强度和刚度等各项性能指标的前提下,有效降低汽车重量。目前车身普遍采用的低碳钢以及高强度低碳合金钢(HSLA)材料正在越来越多地被双相高强度钢材料所替代。电阻点焊作为车身结构件的主要连接方法,焊点周围存在严重的应力集中,由于双相钢焊点微观组织的变化,疲劳裂纹的萌生和扩展过程与低碳钢都有较大不同,使已有的焊点疲劳试验结论无法直接应用到双相钢焊点疲劳寿命预测中,同时车身焊点在整个寿命周期内承受多轴变幅载荷,传统的焊点疲劳应力-寿命(S-N)预测方法已不能满足车身焊点疲劳寿命预测要求,本文正是在上述背景下开展研究工作。 基于以上背景,本文以双相钢点焊接头为对象,首先实验研究焊点接头不同区域的微观组织变化,分析微观组织变化对焊点接头疲劳寿命的影响;通过建立双相钢焊点弹塑性有限元模型,确定双相钢焊点疲劳裂纹萌生点的位置;然后通过监测焊点接头在疲劳试验过程中的应变,研究焊点疲劳裂纹萌生及扩展两个阶段,确定了双相钢焊点裂纹萌生及扩展规律。基于双相钢焊点实际疲劳裂纹扩展路径,建立以裂纹尖端等效应力强度因子为特征参量的双相钢焊点疲劳寿命预测模型,并对模型进行试验验证。基于此疲劳寿命预测模型,建立车身点焊结构件疲劳寿命预测系统,并应用该系统对在变幅载荷下车身结构件上焊点进行疲劳寿命分析与预测。本文主要展开的研究工作如下: (1)双相钢焊点微观组织特征及疲劳强度分析 建立伺服焊枪点焊试验系统及焊点疲劳强度测试系统,确定焊点试样几何因素对疲劳寿命的影响规律,研究双相钢焊点界面断裂特性对其疲劳强度及断裂形式的影响。实验分析双相钢焊点的微观组织结构,通过疲劳试验研究微观组织变化对其疲劳寿命的影响。 (2)双相钢焊点裂纹萌生及扩展过程分析 基于有限元方法分析双相钢点焊接头的应力应变情况,通过应力场的分布确定初始疲劳裂纹萌生位置,并进行实验验证。通过采用实时应变测定与金相实验相结合的方法来研究双相钢焊点疲劳裂纹的不同扩展阶段,确定焊点试样在疲劳试验不同时期的应变率,并将其与实际测量获得的裂纹长度相关联,从而建立双相钢焊点裂纹长度与疲劳寿命之间的对应关系,并确定疲劳寿命各阶段占双相钢焊点总的疲劳寿命的比例。 (3)双相钢焊点疲劳裂纹应力强度因子研究 根据双相钢焊点实际疲劳裂纹扩展形式,定义两种类型的应力强度因子,即全局应力强度因子及裂纹尖端应力强度因子。建立全局应力强度因子的解析式,应用三维有限元方法分析了不同形式焊点的全局应力强度因子变化规律。利用子模型技术建立了带裂纹的双相钢焊点模型,定量研究两种不同几何形式焊点试样在裂纹扩展过程中实际裂纹尖端应力强度因子的变化规律。 (4)基于裂纹扩展的双相钢焊点疲劳寿命预测模型研究 基于断裂力学理论,确定焊点裂纹尖端等效应力强度因子为点焊接头疲劳特征参量;通过双相钢焊点疲劳寿命数据回归分析,证明该参量能够与不同几何形式及载荷类型的焊点疲劳寿命相关联,缩小不同形式焊点疲劳寿命的分布范围;利用此特征参量,建立基于裂纹扩展的双相钢焊点疲劳寿命预测模型,并试验验证该模型的准确性。 (5)车身结构件焊点疲劳寿命预测系统建立与应用 基于前文推导并经试验验证的双相钢焊点寿命预测模型,考虑变幅载荷对焊点疲劳寿命的影响,利用线性损伤累积准则,建立车身结构件焊点疲劳寿命预测系统。应用该系统到焊点疲劳容易出现的车身结构件,减震器拱形支座上,对焊点在车辆载荷谱下的疲劳寿命进行预测,预测结果能够用来估计疲劳危险点的寿命。通过与实车耐久性试验结果对照比较,指导车身焊点布置与优化。 本文在充分吸收和借鉴前人研究成果的基础上,对双相钢点焊接头疲劳特性及其寿命预测进行了深入研究和探讨,分析了双相钢点焊接头的疲劳特性,建立了焊点寿命预测模型,并具体应用于车身结构件焊点的疲劳寿命预测。本文的工作不但为合理预测双相钢焊点疲劳强度提供了工具,而且对白车身焊点布置数量和位置提供了重要的指导依据。


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