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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。
机械设计中的疲劳寿命预测方法在机械设计领域，确保零部件和结构在长期使用中的可靠性是至关重要的。
疲劳寿命预测作为评估机械部件耐久性的关键手段，对于预防故障、优化设计和降低维护成本具有重要意义。
疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后产生的局部永久性结构变化，进而导致裂纹萌生和扩展，最终可能引发部件失效。
疲劳寿命则是指材料或结构在疲劳作用下，从开始加载到发生失效所经历的循环次数。
准确预测疲劳寿命可以帮助设计师在产品开发阶段就采取有效的措施来提高产品的质量和可靠性。
目前，常见的疲劳寿命预测方法主要包括以下几种：实验方法是疲劳寿命预测的基础。
通过对实际材料或部件进行疲劳试验，可以直接获得其在特定载荷条件下的疲劳寿命数据。
然而，这种方法往往成本高昂，且试验周期长。
此外，由于实际工作条件的复杂性，很难完全模拟所有的工况，因此实验结果可能具有一定的局限性。
应力寿命法（SN 法）是一种广泛应用的传统方法。
它基于材料的应力水平与疲劳寿命之间的关系。
通过对大量实验数据的统计分析，建立应力幅与疲劳寿命的 SN 曲线。
在实际应用中，只需知道部件所承受的应力幅，就可以根据 SN 曲线估算其疲劳寿命。
但 SN 法通常假设材料是均质的，且不考虑裂纹的萌生和扩展过程，对于一些存在应力集中或复杂载荷的情况，预测结果可能不够准确。
应变寿命法（εN 法）则考虑了材料的塑性变形。
它基于材料的应变幅与疲劳寿命之间的关系。
该方法适用于低周疲劳情况，即在较高应变幅下，材料的塑性变形起主导作用。
应变寿命法对于分析具有局部塑性变形的部件疲劳寿命具有较好的效果，但同样存在一定的局限性，例如对于多轴应力状态的处理较为复杂。
损伤力学方法从微观角度研究材料的损伤演化过程。
通过建立损伤变量与载荷循环次数的关系，来预测疲劳寿命。
这种方法能够考虑材料内部的微观缺陷和损伤积累，但模型参数的确定较为困难，且计算量较大。
裂纹扩展法主要关注裂纹萌生后的扩展阶段。
无铅BGA焊点的疲劳寿命评估技术研究在热循环过程中，焊点受到芯片端和PCB端各组件及本身热膨胀不匹配效应的影响，局部位置会产生大的应力应变，过度疲劳后会有裂纹产生并且扩展直至断裂，引起焊点失效。
利用有限元分析工具对焊点进行建模仿真，得出应力应变的分布状态、时间历程及迟滞回线，可以理解焊点的热循环疲劳过程，根据相关的疲劳寿命预测准则，可以对焊点的寿命进行评价，从而指导焊点的可靠性设计。
这种方法是现代微电子封装领域内经常使用的手段，它可以在工艺制作完成前对焊点的疲劳寿命作出前瞻性地预测。
本文针对无铅焊料Sn．3．5Ag的BGA焊点进行了有限元模拟仿真的研究，主要内容及成果如下：1．利用有限元分析工具ANSYS建立了PBGA封装的1／4组件模型，并采用统一的粘塑性Anand本构方程来描述焊点的力学行为，之后对模型施加一定约束条件并加载温度循环载荷经ANSYS求解器计算，提取其计算结果来研究焊点的疲劳性能；考虑到热循环过程中焊点所受的复杂应力情况，依照第四强度理论，提取von Mises应力应变作为研究对象，同时将第三强度理论要求的最大剪切应力应变也作为研究对象来与第四强度理论的分析结果进行对比。
2．研究显示：随着温度循环载·荷的施加，焊点阵列会产生不均匀的应力应变分布，局部位置会产生应力集中和大的塑性应变，考虑此两方面的因素，得知阵列的内侧焊点为疲劳失效最易首先发生的所在；进一步分析了这些疲劳失效点处的应力和应变的时间历程和相应的迟滞回线，从分析中得知随循环时间的增加，应力变化比较平稳，但在高温保持段的两侧出现了大的瞬间波动；而塑性应变有明显增大的趋势，从迟滞回线的分析中得知随着循环次数的增加，回线会逐渐趋于平稳，这是疲劳失效的显著特征。
3．建立了带空洞的BGA返修台焊点模型，并对其进行有限元分析。
通过研究得出：中心空洞的存在对焊点的底部和项部的高应力区向焊点内部的延伸有阻碍作用，但若空洞和焊点的截面积比超过20％，高的应力会出现在空洞内部靠近焊点顶部的位置；若空洞位于无空洞的模型分析里焊点本身的高应力区(焊点顶部)，会使应力分布发生很大的改变，在降低了空洞所在焊点处应力应变的同时，原本的高应力区已经扩散进入空洞区域，随着空洞尺寸的增大，扩散区会越来越大；若空洞位于无空洞的模型分析里焊点本身的低应力区(焊点底部)，同样会对原本的应力分布产生大的影响，使高应力区的范围向焊点内部延伸，但此位置空洞的尺寸对应力分布的改变作用不大；不论空洞出现在高应力区，还是低应力区，都使得阵列中原本存在最大应力和最大塑性应变的点从空洞所在的焊点处转移到了别的与此焊点受力完全不同的焊点上，这体现了存在空洞的焊点表现出的与完整无空洞的焊点在力学性能上的区别；最后，通过对带空洞的焊点进行寿命评估，得出不论空洞存在于焊点中的哪个部位，都会使整个组件的寿命下降。
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
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2017(038)010
【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(MISO)本构模型描述Sn63Pb37和Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)焊料的力学本构行为,分析陶瓷球栅阵列(ceramic ball grid array,CBGA)焊点阵列在极限温度(-180~+150℃)热冲击载荷下的应力应变分布情况,最后根据基于能量的Darveaux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.
【总页数】5页(P93-97)
【作者】田茹玉;王晨曦;田艳红;赵利有
【作者单位】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;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;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;上海航空航天技术研究院,上海201109
【正文语种】中文
【中图分类】TG405
【相关文献】
1.热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性—寿命预测
2.CBGA焊点热循环条件下的可靠性
3.大尺寸CBGA高铅焊接在温度循环下焊点可靠性的研究
4.CBGA结构热循环条件下无铅焊点的显微组织和断裂
5.不同基板的CBGA焊点在热循环下的力学特性研究
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金属材料疲劳寿命预测模型研究疲劳寿命是指材料在特定载荷循环下发生疲劳破坏之前能够承受的循环次数。
随着工程实践的不断发展，越来越多的金属材料在实际应用中需要长时间承受循环载荷，因此对于金属材料疲劳寿命的预测和评估变得尤为重要。
在过去的几十年里，许多学者和工程师致力于金属材料疲劳寿命预测模型的研究。
这些模型旨在通过测量和分析金属材料的力学性能、微观结构和载荷历史来提前预测疲劳破坏的发生。
其中最经典的模型之一是S—N曲线，即应力-寿命曲线。
S—N曲线通过将不同应力水平下的疲劳寿命数据绘制在同一坐标系上，形成一条拟合线，从而揭示了应力与寿命之间的关系。
然而，在实际应用中，由于材料的微观结构和力学行为的复杂性，仅仅使用S—N曲线来预测金属材料的疲劳寿命往往是不准确的。
因此，学者们提出了许多新的预测模型，以提高预测精度和准确性。
其中之一是基于应力强度因子的模型。
应力强度因子是用来描述裂纹尖端附近应力状态的关键参数。
通过研究应力强度因子与裂纹扩展速率之间的关系，可以建立更准确的疲劳寿命预测模型。
这种模型的优势在于它不仅考虑到了材料的力学性能，还能够考虑到裂纹形态和应力分布的影响。
另一个值得关注的预测模型是基于微观结构演化的模型。
这种模型通过考虑材料的微观缺陷、晶粒取向、相互作用等因素，将材料的疲劳寿命与其微观结构之间建立联系。
通过对材料微观结构演化过程的研究，可以预测出材料在不同载荷历史下的疲劳寿命。
此外，还有一些新兴的疲劳寿命预测模型，如基于机器学习和人工智能的模型。
这些模型通过大量实验数据的输入，以及针对不同材料和应用的特定算法，可以更加准确地预测疲劳寿命，并为材料设计和工程实践提供指导。
可见，金属材料疲劳寿命预测模型的研究正日益深入和多样化。
从经典的S—N曲线模型到基于应力强度因子、微观结构演化甚至机器学习的模型，不断有新的方法和思路被提出，为金属材料疲劳寿命的预测和评估带来新的突破。
然而，研究人员仍然面临着许多挑战，如如何将这些模型应用于实际工程实践中，如何提高预测模型的可靠性和准确性等。
