疲劳焊接疲劳分析.docx

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1、焊接疲劳理论基础Radaj和Sheppard通过研究指出，不同结构和不同载荷形式下的焊点疲劳可以同过对焊点周围板上局部应力进行数值计算分析的方法来评估。Rupp等人则描述了如何计算这些结构应力，并基于最大、最小应力和载荷谱对焊点进行疲劳寿命计算。一般来讲，焊点通过梁或杆来模拟，焊缝通过板壳单元来模拟。下面分别介绍焊点和焊缝的处理方法。1.1焊点疲劳的基本理论1)焊点的有限元模型在有限元模型中，要求用垂直于两连接板的刚性梁单元来模拟焊点，而两连接板用位于板中面的壳单元来模拟，如左下图所示。经梁单元传递的力和力矩被用来计算焊核和连接板周围的结构应力，依此通过S-N法预测焊点

2、的疲劳寿命。其中梁单元附近的壳单元网格无需特殊细化，保证梁单元的足够连接刚度即可。经验表明，焊点周围的壳单元尺寸为焊核直径的两倍以上时能满足要求。2)疲劳应力的计算右上图所示为典型的点焊连接件。通过有限元方法来计算结构应力时，模拟焊核的刚性梁单元长度为0.5s1+s2，s1，s2分别为板1和板2的厚度。点1和点2分别为梁单元在两层壳单元上的端点，点3为焊核中心线与两板连接面的交点。所有的力和力矩按图中坐标系对应计算。从计算所得的应力数据结果文件中分别提取点1、点2的力Fx、Fy、FZ和弯矩Mx、My、Mz，依此来计算板1和板2内表面以及焊核与两板交接点处的结构应力（沿焊

3、核圆周方向每10度取一个点来计算）。点1和点2上的力和弯矩都是焊核作用到板上的，而点3上的力和力矩为上层板作用于下层板的。上述结构的应力计算如下：对于点1，板内表面上的等效应力σν1为焊核沿周向方位角θ的函数，即式中;d——焊核直径；。当Fz1>0时，;，作为对弯曲应力梯度效应的补偿；当Fz1≤0时，σmaxFz1=0。这样，只有焊核轴向力中的拉伸分量对损伤有贡献，且;点2的结构应力计算与点1类似。点3的结构应力计算用绝对最大主应力作为损伤参量，这样可使计算简单化式中，；当时，；当时，。面内的主应力可以从焊核中的切应力和正应力求得：式中，应力绝对值最大的主应力将作为损伤

4、参量。1)焊点的疲劳特性该计算除需要分别对应于焊核和连接板在循环特性R=0时的S-N曲线，还要考虑平均应力敏感系数和标准差参量，这些S-N曲线与母材的S-N曲线完全不同，是典型的S-N曲线，用公式表示为式中——S-N曲线与S轴交点的纵坐标；——材料常数。对于每个应力循环，平均应力可按下式进行修正，即R=0时的等效应力幅值为式中M——平均应力敏感因子。2)焊点损伤计算在焊核和连接板处的结构应力按上述公式计算得出后，结合焊核和母材的材料特性，通过准静态方法或模态叠加方法对每个计算点的有效应力历程进行计算，然后运用雨流循环计数，再根据Miner法则进行疲劳损伤的计算式中——每

5、级载荷下产生的损伤；——每级载荷的循环次数；——每级载荷的对应的疲劳极限次数。这样可得到所有焊点损伤和寿命的分布情况，并可知哪块连接板上会先产生疲劳裂纹以及裂纹的初始方向。1.1焊缝的疲劳焊缝疲劳的分析方法与焊点的分析方法类似，都是采用S-N方法，结合Miner法则进行疲劳寿命的估算，主要区别表现在有限元模型的建立。下面主要对焊缝的有限元模型的建立方法进行详细的介绍。在有限元模型中，焊缝一般用刚性壳单元来模拟，因为MSc.Fatigue在疲劳应力分析过程中，一般只考虑邻近焊接单元的四节点壳单元的应力结果。在模型的建立过程中，可遵照下面的一般性原则，以确保较好的计算结果：

6、1)薄板使用壳单元模拟，要求壳单元位于板的中性面上，且壳单元的厚度与板的厚度相同。2)焊缝的节点应位于焊趾附近。3)焊接应采用4节点壳单元或3节点壳单元，单元厚度是母材厚度的2倍。4)单元沿着焊趾的长度约为4~5mm。5)焊接起始和终止的拐角必须模拟为圆角。上面的有限元模型常用于1~3mm的薄板焊接，由Volo汽车公司建立并进行了验证。其他焊接形式的有限元模型的建立可参考BS7608或MSc.Fatigue的帮助文档。这一方法现在发展成为汽车零部件焊接结构疲劳分析的专用方法，适用于对1~3mm的钢板进行疲劳分析，这一方法的基本原理见前面的理论介绍，更为详细的信息见FE-

7、Fatigue理论手册。基本操作步骤可以总结为以下几点：1)首先采用四面体单元（在NASTRAN软件中采用CQUAD4单元）进行网格划分，来表示钢板的中面，焊缝由一行壳单元来表示，其厚度设定为焊缝的有效长度。焊缝单元的节点应该位于焊趾上。焊缝周围的单元边长应大约为5mm，尽量避免三角形的单元，如图所示。2)当运行NASTRAN软件进行分析时，参数SNORM要设置为PARAM，SNORM，55.0，应力通过output2文件进行恢复，这样就需要在输入文件中的关键字CUBIC进行设置。图中给出了NASTRAN有限元焊缝分析的头文件的实例。1)