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多点点焊件疲劳寿命分析
覃秋雷;王瑞杰;武陇岗
【期刊名称】《机械科学与技术》
【年(卷),期】2024(43)1
【摘要】根据ST12钢的双点及三点拉剪电阻点焊试件的恒幅疲劳测试结果,分别使用缺口应力法和等效结构应力法进行疲劳寿命预测。
在使用缺口应力法时,按试件的实际尺寸和国际焊接学会(International institute of welding, IIW)推荐标准,分别建立了双点和三点拉剪试件的三维实体有限元模型进行弹性应力分析,从有限元分析结果提取von Mises最大应力变化值,结合IIW推荐标准中的S-N曲线对试件进行疲劳寿命分析预测;在使用结构应力法时则采用梁壳混合单元进行有限元应力分析,并且根据主S-N曲线进行疲劳寿命预测。
结果表明,在低周疲劳范围内,缺口应力法和等效结构应力法预测的结果相对于试件的实际寿命有较好地相关性,其中等效结构应力法的结果更接近实验寿命结果。
【总页数】6页(P90-95)
【作者】覃秋雷;王瑞杰;武陇岗
【作者单位】昆明理工大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG407
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基于焊点失效的焊接结构有限元建模方法朱大业【摘要】针对典型的焊接结构,研究有限元建模方法和失效模式.设计一种搭接剪切实验和拉伸剥离实验,对电阻点焊的失效机理和失效模式进行研究,建立结构失效准则.在实验的基础上,分别应用刚体单元、梁单元和实体单元对焊接结构进行有限元建模.从母材变形以及力和力矩的传递方面,分析比较不同建模单元对仿真精度的影响.并得出运用实体单元焊点建模仿真精度最高,仿真结果与拉伸剪切实验和拉伸剥离实验结果的误差分别为3.1％和3.4％,能够较好地反映母材的变形以及力和力矩的传递.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2017(030)010【总页数】5页(P73-76,81)【关键词】电阻点焊;失效准则;焊点模型;有限元模型【作者】朱大业【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TG404Abstract Consider the typical welding structure, particularly its finite element modeling method and failure mode. A lap-shear experiment and tensile-peel experiment are designed to study the failure mechanism andfailure mode of resistance spot weld in order to establish the failure criterion in welding structure. On the basis of experiment, the rigid body element, beam element and solid element are utilized separately in the finite element modeling of spot weld. The concern is to compare the simulation accuracy of different modeling element from the deformation of parent metal and the transfer of force and moment. The results show that the simulation accuracy of the solid element is better, the error of lap-shear experiment and tensile-peel experiment between test and simulation are 3.1% and 3.4%, which can reflect the deformation of the parent metal and the transmission of the force and moment accurately.Keywords resistance spot weld;failure criterion;spot weld modeling;finite element model焊接结构作为现代连接母材的一种技术，已广泛应用于汽车、船舶、机械制造以及航天航空中[1]，其力学性能的好坏将影响着连接件的使用。
C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程V ol.31 No.2 2009 总第31卷，2009年第2期T 型焊接接头疲劳性能研究张 健1,3，卞鸣煜2，冷建兴3，孙培林1（1．江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，镇江 212003；2．扬州市地方海事局，扬州 225000；3．中国船舶科学研究中心，无锡 214082）摘 要：T 型焊接接头在船舶与海洋工程结构中广泛应用，研究T 型焊接接头的疲劳性能对于提高船舶与海洋工程结构的强度具有重要意义.针对工程中常用的四种焊趾形式的T 型焊接接头，利用有限元计算和模型试验两种方法对其疲劳性能进行了研究.结果表明，平面型焊趾是较优的T 型接头焊趾形式.关键词：船舶与海洋工程结构；T 型接头；焊趾；有限元；疲劳试验中图分类号：U671.81, TG111.8 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2009) 02-0060-04Study on fatigue performance of T shape jointZHANG Jian 1,3, BIAN Ming-yu 2, LENG Jian-xing 3, SUN Pei-lin 1(1. School of Ship and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2. Y angzhou Maritime Safety Administration, Y angzhou 225000, China; 3. China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)Abstract: T shape joint is used widely in the ship and marine engineering structure. The research of its fatigue performance is significant to enhancing the strength of ship and marine engineering structure. The fatigue performance of four kinds of common used weld toe is studied by the FEM and experiment method. The results indicate that the line type weld toe is the preferable T shape joint type.Key words: ship and marine engineering structure; T shape joint; weld toe; FEM; fatigue experiment0 引言疲劳破坏是焊接结构破坏的重要形式[1].由于在焊接接头处具有应力集中、焊接缺陷和焊接残余应力，使焊接接头的疲劳强度比母体金属低，因此焊接结构的疲劳失效多在焊接接头处产生，接头处焊趾的形状对疲劳性能有较大影响[2]，开展焊接接头的应力分析及疲劳性能研究具有重要意义.在船舶与海洋工程结构中，尤其是水下潜器结构中，无论板与板相交处还是型材与型材相交处，均存在大量T 型或近似T 型的焊接节点，因此，选用T 型节点作为研究对象具有较强的代表性.目前，国内外对于焊接质量的控制主要依靠各国的标准或规范来实现，一般是规定焊脚高度和剖口形式来保证焊缝的质量，而对于包括T 型焊接接头在内的焊接接头的焊趾形式缺乏深入的研究，尤其是焊趾的几何形状对于焊接接头疲劳性能的影响方面的研究更是鲜有报道.本文以四种常见几何形状的焊趾为研究对象，对其利用有限元分析与模型试验相结合的方法进行了静力性能和疲劳性能的研究，具有一定的实用价值.1 焊接结构的疲劳理论概述 1.1 疲劳现象疲劳是由重复应力引起裂纹缓慢扩展而造成结构部件的损伤，疲劳断裂通常是一种低名义应力破坏，它和脆性断裂有本质的不同但又有许多相似之处，例如断裂前变形很小，达疲劳极限后突然断裂且断口平齐.究其原因一般有以下两点：1）应力集中的影响焊接接头的外型几何变化以及因焊接而带来的未融合、未焊透、气孔、夹渣、焊接初始裂纹等缺陷所形成的几何不连续使焊缝区出现了明显的应力集中，收稿日期：2008-05-27；修回日期：2008-08-01基金项目：江苏省船舶先进设计制造技术重点实验室资助项目作者简介：张健（1977-），讲师，博士研究生，研究方向：船舶结构强度.— 60—C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n 尤以焊趾处突出[3].2）残余应力的影响残余应力的存在极易引发疲劳裂纹，同时疲劳裂纹的扩展速率也可能因残余应力而增大.在焊接接头中，应力集中点经常和高值的残余拉应力点重合，使疲劳问题更加突出. 1.2 疲劳强度疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷下，在局部的最高应力处、最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后在交变载荷作用下发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展最终导致疲劳破坏.所以，疲劳破坏经历了裂纹萌生，裂纹稳定扩展和最终失效断裂三个阶段.焊接接头的疲劳强度主要由以下两点决定：1）萌生过程，它取决于焊缝的焊趾和焊根处的局部缺口应力状态；2）裂纹扩展过程，它取决于裂纹（包括缺口效应在内）的应力强度因子.绝大多数焊接接头的疲劳裂纹产生在焊趾处，其疲劳寿命主要由裂纹生长扩展决定.显然接头的最大缺口应力和应力强度因子决定其疲劳强度.按断裂力学原理[4]，缺口尖端的应力强度因子可写作K = Y (c)·σ 或K =Y (a)·σ ，式中，Y (c )、Y (a )为几何修正系数；σ 为垂直于裂纹的名义应力；c 为半椭圆形表面裂纹半长度；a 为裂纹深度．事实上，发生在焊缝处的疲劳裂纹多数都会进入焊接热影响区或母材之中，从实用出发，只要最大缺口应力及应力强度因子与构件的基本名义应力成正比，便可认定它们取决于相邻母材的名义应力而不取决于静载作用下起决定性作用的焊缝名义应力.2 静载荷应力计算2.1 T 型接头的四种焊趾形式的有限元模型不同焊趾形式对接头的疲劳性能有较大影响[5].本文利用MSC. Patran 软件建立工程中常见的四种不同焊趾形式的T 型焊接接头模型，模型形状尺寸见图1，板厚为22 mm .形式一为深度剖口焊，节点处焊角被打磨去除干净，即没有焊角残留，有限元网格如图2(a)所示；形式二是焊缝外形为焊接后未加处理保留原始焊趾的凸圆弧，见图2(b)；形式三是焊接后经过处理，将焊趾打磨后变成凹圆弧的焊缝形式，见图2(c)；形式四为平面型焊缝，即与两块板均成45°角的平直焊趾，有限元模型见图2(d).由于焊缝接头处为研究的重点部位，为准确计算接头处应力，建模时细分了焊缝接头处的单元，每个模型共划分了约12 000个单元，模型材料参数选用水下潜器常用的980钢的机械性能参数.452590 150100图1 T 型焊接接头模型尺寸示意图（单位：mm ）(a) 除根形(b) 凸圆弧形(c) 凹圆弧形(d) 平面弧形图2 焊趾形式2.2 静载荷应力计算 2.2.1 约束方式及载荷四种形式的模型约束方式均为左右对称，位置为T 型焊接接头面板的两端部，位移约束μx ＝μy ＝μz ＝0；考虑到T 型焊接接头代表的是船舶与海洋工程中的局部结构，故将三个方向转角约束设为自由.以某水下耐压结构为实例，计算得到舱壁与外壳的交接处的T 型接头腹板上的单位应力为P ＝8.56×107Pa ，因此，分别对四种模型在腹板端面上施加大小为P ＝8.56×107 Pa 的均布拉压载荷，加载面位置在图3中标出. 2.2.2 计算结果及分析分别在四种模型上施加相同的拉、压载荷，并使其约束条件一致，使用MSC.Nastran 进行静应力数值仿真计算，表1给出的是四种焊趾形式分别在拉、压载荷条件下焊趾处的应力值.从表1可以看出，形式四即平面型焊趾的最大应力值最小，而除根型焊趾的最大应力值最大.说明从静应力水平角度来衡量焊接接头的优劣，平面型焊趾的接头上的应力水平最低，对承受静态或准静态载荷的结构来说，T 型接头在焊接— 61 —C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n 时宜使接头焊趾成平面型，可以大大降低接头处的应力集中，有利于提高焊接接头的承载能力.图3和图4分别为形式一焊接接头在压载和拉载下的有限元应力云图.表1 静载荷应力有限元计算结果形式一（除根） 形式二（凸弧） 形式三（凹弧） 形式四（平面）拉应力/MPa 302.6 269.2 278.1 210.7 压应力/MPa -44.5 -30.2 -35.9 -38.8图3 压载荷下接头应力云图（形式一）图4 拉载荷下接头应力云图（形式一）对四种形式的焊接接头进行有限元计算发现，不同的焊缝形式在相同的载荷、相同的约束下除了有不同的最大应力值外，最大应力在T 型接头焊缝附近的分布位置也有所不同.形式一（除根焊趾）和形式二（凸弧焊趾）的最大应力发生在焊趾上，形式三（凹弧焊趾）和形式四（平面焊趾）的最大应力则均布在焊趾和焊趾边缘的母材上，而不是集中在焊趾处.经分析，之所以出现以上现象，是因为除根型焊趾和凸弧型焊趾都在焊缝处产生了应力集中，前者是因为T 型接头的腹板和面板之间的焊材全部被打磨去除，成直角过渡，造成接头几何形状突变，使此处应力突然增大；凸弧型焊趾则是由于焊接后未对焊趾进行任何处理，使焊趾凸起，焊趾几何外形曲率过大，同样容易产生应力集中.形式三和形式四将多余的焊趾进行了打磨，使接头过渡自然而光顺，从而使最大应力平缓的过渡到焊趾附近的母材上，避免了应力集中发生在焊趾上，降低了焊接结构固有的焊接残余应力.3 疲劳寿命有限元计算 3.1 计算方案利用MSC.Fatigue 模块对四种焊趾形式的T 型焊接接头进行疲劳寿命有限元数值仿真计算.计算工况为：频率f ＝3Hz ，交变载荷形式为标准正弦波，计算时的交变应力幅值取为四种焊趾形式中在静载下有最大应力时的±3.0×108 Pa . 3.2 计算结果及分析约束约束加载面图5为形式三（凹弧形）焊趾的疲劳寿命结果图，图中所示疲劳危险区为首先发生疲劳断裂区域，仿真结果表明，在正弦交变载荷下，T 型焊接接头的焊趾部分为疲劳断裂危险区. 疲劳危险区图5 焊趾T 型接头的疲劳寿命数值仿真图（形式三）四种焊趾形式的疲劳寿命结果见表2，在约束方式及加载情况完全相同的情况下，形式四（平面形）焊趾的T 型接头疲劳寿命最长，达到21100次；其次是形式三（凹弧形），疲劳寿命为16200次；形式二（凸弧形）的寿命最短，只有11200次.这一结果表明：焊缝的凸出部分是应力集中点和焊接残余应力集中点，如果焊后不进行机械加工，将使焊接接头的疲劳强度大大降低；凹弧形式焊趾是焊接结束后将焊趾过度打磨成凹弧，与将初始焊趾少量打磨成平面形焊趾的T 型接头相比寿命反而下降，这是因为少量打磨焊趾使其平滑后相当于加大了焊趾的过渡半径，显然对增加疲劳寿命有利.这说明焊缝位置处的焊趾过大或过小都会降低焊接接头的疲劳强度，保留适度的焊趾高度可以提高焊缝处的疲劳强度.表2 MSC.Fatigue 有限元疲劳寿命计算结果 焊趾形式 形式一（除根）形式二（凸弧） 形式三（凹弧） 形式四（平面）疲劳寿命/次13 700 11 200 16 200 21 1004 T 型焊接接头疲劳试验 4.1 试验方案— 62 —C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n 进行试件制作时，根据高强度钢的焊接工艺要求，焊接前后分别采用预热和后热的办法，以避免焊接裂纹的产生，所有试件均经过无损探伤检测.根据“水下潜器结构设计计算规则”，疲劳试验的加载方式按照应力水平的高低决定.对于低应力水平的疲劳试验，采用应力控制方式进行试验；对于高应力水平的试验则采用应变控制的方式进行试验.对本试验而言，由于试验前对试件进行静态应力应变测量发现实际的应力应变水平较低，因此本疲劳试验采用应力控制方式进行[6].分别取前述四种焊趾形式的T 型接头的试件各3件在美国MTS 结构疲劳试验系统上进行试验，试验装置及试件安装方式如图6所示，试件承受三点弯曲．对各试件均采用峰值为300 MPa 的应力作为控制载荷，应力比R ＝-1，载荷波形为频率3 Hz 的正弦波.当试件出现明显裂纹即在应力水平保持不变情况下应变出现显著放大时，认为试件发生疲劳断裂，试验结束. 4.2 试验结果及分析从表3数据可以看出，同样试件的疲劳寿命结果具有较大的离散性，完全相同的两个试件结果甚至相差一倍，而试验结果的离散性正是疲劳试验的特点之一.分析其原因，这是由于试件样本的疲劳寿命与焊接构件的焊接工艺条件密切相关,每个试件焊缝中的气泡、咬边、夹渣等焊接质量的不同,都直接影响到试件的疲劳寿命.由于本试验试件数目的限制，很难对四种焊趾形式的疲劳寿命进行准确的定量分析.但是，在对每种焊趾类型3个试件的疲劳试验结果进行平均后分析比较，仍然可以看出和有限元仿真相似的规律，即平面型焊趾疲劳性能最好.因此，可以通过本试验对四种焊趾形式的疲劳性能进行定性分析. 下横梁夹具T 型试样图6 T 型焊接接头疲劳试件安装示意图表3 四种焊趾形式的T 型焊接接头的疲劳试验结果焊趾形式1号试件寿命/次2号试件寿命/次3号试件寿命/次平均寿命/次形式一（除根）9 906 14 845 12 249 12 333形式二（凸弧） 12 359 17 688 10 034 13 360 形式三（凹弧） 20 113 15 674 8 790 14 859 形式四（平面） 27 873 17 689 13 247 19 603将疲劳试验结果与数值仿真结果相比较，模型疲劳试验寿命普遍比数值仿真结果短，这是因为数值仿真在建模和计算过程中，是基于模型的母材和焊缝的材料参数都处于理想状态下而进行的；而实际上，试验模型的材料和焊缝都或多或少存在一定的缺陷，这些缺陷必然会使试件的疲劳寿命有所降低.5 结论通过对T 型焊接接头的四种不同焊趾形式的静态应力及疲劳寿命进行有限元计算，得出以下结论：1）根据有限元计算结果，不同焊趾形式的拉应力最大相差30%，而不同形式焊趾的疲劳寿命差异达47%，可见疲劳寿命和静载应力水平无正比关系.2）从表2及表3可以看出，除根形和凸弧形焊趾的T 型接头寿命最短，表明焊趾处焊材填充过多或完全没有填充都将使焊接接头的疲劳强度大大降低.3）经过有限元分析和疲劳试验两种手段的研究，可以看出平面型焊趾是较为理想的T 型接头的焊趾形式，建议在生产实践中焊接此类接头时尤其是一些对疲劳性能要求较高的部位，采取平面形焊趾.参考文献：[1] 胡毓仁，陈伯真.船舶及海洋结构疲劳可靠性分析[M].北京：人民交通出版社，1997. [2] 张毅，黄小平.对接接头焊趾应力集中有限元分析[J].船舶力学，2004(5): 91-99. [3] 傅祥炯.结构疲劳[M].西安：西北工业大学出版社，1994.[4] 赵少汴.抗疲劳设计[M].北京：机械工业出版社，1998.[5] 王立君.焊缝几何对焊趾疲劳裂纹扩展行为的影响[J].天津大学学报，1997(6): 735-740.[6] 冷建兴，尹强等.980钢焊接节点疲劳试验[J].船舶力学，2003(2): 81-83.— 63 —。
