拉剪点焊件疲劳强度分析与寿命预测

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1、北京工业大学工学硕士学位论文属，形成扁球形的熔核焊点。切断电流并冷却，形成点焊试件【l】。如图1．1所示。点焊是一个高度非线性、存在多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程。点焊过程伴随有高温高压，在接头形成熔核区、热影响区和母材区，各区域具有不同的力学性能。焊接接头结构如图1．2所示。在焊接过程中，局部迅速受热和冷却，焊接区受到金属板四周的约束不能自由膨胀和收缩，试件产生应力集中和变形，导致疲劳强度下降和裂纹的萌生。图l-2点焊接头结构示意图Fig1-2Thestructureofspotweldedjoint1．2．2典型点焊试件类型实

2、际应用的点焊结构，无论其复杂程度如何，最终可分解为拉剪(搭接)结构、横向拉伸或撕裂拉伸结构、帽形多点结构及管子点焊结构【2】，如图1．3所示。这种分解为分析工作带来了便利，对于强度试验和数值计算，通常把各种结构规范成相应的标准件。lilI覆’妇，口)‘)·>50×50×I’雨研可‘>Ipo图1．3典型点焊试件Figl·3Thetypicalspotweldspecimens2。P己，Un●"，U口鼻¨¨¨¨¨¨U皿■■●●●●：珏■¨—H1l：“¨¨旧洲Ⅶ¨U，一憎一矗-Ⅱ1。。●●卑母审第1章绪论1．2．3点焊试件失效模型在疲劳测试中，点

3、焊失效主要是由于沿厚度的穿透型裂纹。这些裂纹萌生于接合面缺口根部并扩展于厚度方向。点焊失效形式有：裂纹平行于金属板的疲劳失效(图1．4a))和裂纹贯穿金属板的疲劳失效(图l-4b))。当板厚远大于焊点直径时，出现平行与金属板的裂纹。通常焊点直径远大于板厚，这种失效形式很少见，点焊结构失效多观察到贯穿裂纹。热彬响区热影响区a)热彩响区图14点焊失效模型Fig1-4Thefailuremodelofspotweldb)贯穿裂纹导致热影响区断裂和母材断裂两种，疲劳试验主要观察到热影响区断裂，母材断裂与此区域疲劳强度相对较小有关嘲。拉剪试件失效过程

4、描述为：裂纹萌生于缺口根部的热影响区，然后沿厚度方向扩展直至贯穿，最后沿宽度方向扩展断裂。1．2．4影响点焊疲劳的几何因素点焊连接疲劳寿命取决于载荷条件和几何因素。疲劳寿命随着载荷的增加而降低，几何因素的变化影响寿命的分散性。许多研究人员探讨了焊点直径、试件厚度、试件宽度等因素对疲劳强度的影响。(1)焊点直径点焊的直径对疲劳寿命和失效模型有重要影响。Wilson和Fine[41观察到同心管试件疲劳寿命随着焊核直径的增加而增加。Pollard[5】研究了拉剪试件和横向拉伸试件，指出疲劳寿命随焊核直径增加而增加。Abe[6】等也观察到焊点直径增

5、加对疲劳寿命的有益影响。(2)试件厚度Pollardt5】在恒幅载荷下进行了疲劳测试，随着厚度增加，点焊疲劳寿命增加。Davidson和imhofi7,81用四个不同厚度的试件，研究了板厚度对疲劳寿命的影响，对于给定的循环载荷，疲劳寿命随厚度增加而增加。北京T业大学T学硕士学位论文(3)试件宽度试件的宽度也是影响点焊疲劳寿命的一个因素。Riven[91通过三个不同宽度试件，研究了剪切疲劳特性，随着宽度的增加，疲劳性能增加。1．3点焊疲劳寿命预测模型研究人员对不同点焊试件进行了系统的研究，探寻点焊疲劳失效的机理，寻找合适的损伤参数，确定影响疲

6、劳寿命的因素以及估算疲劳寿命，提出了自己的研究模型。1．3．1局部应力应变法局部应力应变法实质上是应变寿命方法，构件的整体疲劳性能取决于最危险区域的局部应力应变状态‘101。试件缺口的塑性应变由Neuber公式来计算：a仃=K撂占(1．1)a盯是理论应力集中系数，K仃是真实应力集中系数，Kg是真实应变集中系数。三个系数均为常数。用名义应力幅度和局部应力幅度、名义应变幅度和局部应变幅度表示集中系数，Neuber公式可写为：^K以=等×尝(1-2)联立循环应力应变方程，可得到局部应变幅度厶g。了AE=争(豢)-㈨3，一=一+I—lII一’J22

7、EL2K’／最后把得到的局部应变幅度代入应变．寿命公式，预测疲劳寿命，这是裂纹萌生寿命。一Az：．o'多-or．(2N)b+s’(2Ny(1．4)一=·+￡，-ZJ『、f-Ll·4J2E。、’尚等【ll】根据点焊试件动态响应试验的频率变化规律，定义了裂纹扩展的三个阶段，萌生寿命约占总寿命的一半。利用局部应力应变法预测了点焊接头疲劳裂纹萌生寿命，在低周范围内，预测寿命与实际寿命吻合较好。局部应力应变法是成熟的寿命预测方法，适用于低周疲劳寿命预测，不能有效处理多轴应力问题，计算精度一定程度上取决于材料常数的可靠性。1．3．2结构应力法Shepp

8、ard[12’131利用结构应力提出了疲劳寿命独立模型。假设：(1)最大结4第1章绪论构应力幅度直接与疲劳寿命有关。(2)疲劳裂纹沿板厚度扩展，不通过焊点。结构应力是一种名义应力