预测焊点疲劳寿命

焊接 2013-05-30 12:49:05
   点焊被广泛地用于零部件和结构的制造。点焊构件的耐久性主要取决于焊点的疲劳强度。在一条生产自动线上装备一个焊点的点焊机械装置可能需要30万美元,为了补救某一问题而必须在生产时再增加一个点焊装置,其费用可能不止2倍。如果我们能在设计的早期预测焊点的疲劳寿命,那么显然这些费用可以降到最低点。更有意义的是,它也有助于缩短产品的开发周期,提高产品的质量。 
   Smith和Cooper用断裂力学方法研究过受剪切载荷焊点的疲劳寿命预测问题。他们指出:“一个焊点也许可以被认为是一个外表面有一环向深裂纹的实心圆棒,当这一圆棒受一个Ⅰ—Ⅱ复合型载荷时,它会在最大的局部Ⅰ型方向产生分叉裂纹并扩展”。他们说明了根据计算的裂纹扩展速率可以较好地预测焊点的疲劳寿命,并用他们的计算结果作出一些简单的设计曲线。Smith和Cooper所建议的方法基于对简单受剪搭接接头的有限元模拟,这种方法需要进一步的发展才能用于其它不同的焊点型式,处理变幅异相复杂载荷。发展的结果可能是一个简单的专门针对焊点的规范,按照英国标准BS7608的方法,给出适用于不同点焊类型的载荷—寿命曲线族。 
   事实上,关联不同加载条件下焊点的疲劳强度,载荷是一个相当糟糕的参量。Raji和Sheppard提到,不同型式受不同载荷的焊点,它的疲劳耐久性能够通过分析板内焊点周边的局部应力得到更好的理解,这一局部应力指的是焊点附近的结构应力。Rupp等人描述了如何计算这些结构应力。他们根据最大应力、最小应力和一个载荷谱对焊点的疲劳寿命进行了预测。本文介绍的技术类似于Rupp等人的工作,不同的是进一步地将结构应力计算与应力缩放、叠加以及应用瞬态有限元分析结果等方法结合起来。下面将先介绍软件的技术细节,然后给出两个说明简例。 
   1方法概述 
   方法要求将焊点模拟成为MSC/NASTRAN中的刚性梁单元;经这些梁单元传递的力和力矩被用来计算结构(名义)应力,这些应力为围绕焊点熔核和连接板的局部应力;按照S—N总寿命方法,用这些结构应力预估焊点的疲劳寿命。 
   软件系统由一些经过修改的MSC/FATIGUE模块组成,它的核心为焊点疲劳分析器SPOTW,图1表示了这一软件的框架。该系统当前只支持两板焊点的疲劳计算。焊点应当用连接两板中面且垂直于这两个中面的刚性梁表达,而板用位于板中面的壳单元模拟。焊点的长度因此是板厚之和的一半。焊点附近的网格不需要做任何细化,对壳单元的唯一要求是它们能将正确的力传至刚性梁。事实上,使用大尺寸的壳单元(大于2倍的熔核直径)似乎能获得最好的结果,即最实际的连接刚度。 
   软件的使用方式与标准的MSC/FATIGUE类似。通过填一组表格创造一个作业文件,这个文件包含了焊点的直径、板厚和疲劳性能参数信息。有一个解读器读这个文件,从MSC/PATRAN数据库中抽出所有的有关数据,写到一个中间文件中去。焊点分析器根据这个中间文件以及所需的载荷信号和疲劳性能数据,对每个焊点做寿命预测。最后输出2个计算结果文件,其中的一个文件为MSC/PATRAN的可读文件。下面将给出有关疲劳计算的一些细节。
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