（材料加工工程专业论文）汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究.pdf

硕士学位论文 摘要 汽车铝合金车身部件的力学模拟成为一个重要的课题，近年来国内外 对均匀材料的结构做了大量的研究焊接接头的焊缝及热影响区的力学性 能与母材总存在一定的差异，这种力学性能不均匀性对接头变形及其它各 项力学性能参数有着重要的影响。本文针对这一情况对铝合金接头进行了 研究： ( 1 ) 利用c c d 摄像技术对不均匀焊接接头在单向拉伸的情况下进行了 有效的跟踪，利用图像处理技术对不均匀焊接接头不均匀变形行为 特征进行有效的处理分析，同时可以对接头各区域的弹性模量进行 修正。 ( 2 )利用商业软件a b a q u s 6 6 版对焊接接头不均匀变形行为进行分析， 从实验和模拟结果均可以看出在达到接头各区域最小屈服应力前， 各区域变形仅与各区域本身的力学性能有关。 ( 3 ) 焊接薄板对接接头变形不仅与焊接后各区域本身的力学性质有关， 各区域之间还存在相互制约的关系。在实验颈缩发生初始时刻最大 工程应变值小于模拟结果。 ( 4 ) 接头几何尺寸对于在接头颈缩开始时刻的m i s e s 应力变化区域宽度 有明显的影响，随着试样宽度和热影响区的宽度的比值的增加，应 力变化区域逐渐加大；随着试样宽厚比的增加，应力变化区域仍逐 渐加大，但m i s e s 最大应力却逐渐降低。 ( 5 ) 铝合金不均匀焊接接头的形变硬化指数小于接头各区域的形变硬化 指数的加权平均值，在改变不均匀接头各区域几何参数时但不改变 接头任何区域形变硬化指数时，接头形变硬化指数变化比较小，但 改变接头任何区域形变硬化指数，接头形变硬化指数变化比较明显， 主要以热影响区的变化影响最大。 关键词：图像处理技术，不均匀变形，m i s e s 应力变化区域，有限元模拟， 形变硬化指数 硕士学位论文 a b s t r a c t t h em e c h a n i c ss i m u l a t i o no nc o m p o n e n t so fa u t o m o b i l ea l u m i n u ma l l o y b o d y w o r kb e c o m i n gac o n c e r n f u ls u b j e c t i nr e c e n t l yy e a r s ，t h e r ew e r es o m e s u b s t a n t i v er e s e a r c ho nt h e c o n f i g u r a t i o n o f h o m o g e n e o u s m a t e r i a l si n h o m e l a n da n do t h e rc o u n t r i e s i t sa l w a y sp r e s e n t ss o m ed i f f e r e n ta s p e c to f m e c h a n i c sp r o p e r t i e sb e t w e e nh e a ta f f e c ta r e a so ft h ew e l d i n gj o i n t s ( o rt i e - i n s ) a n db a s em a t e r i a l s t h et i e - i n sd i s t o r t i o ni n h o m o g e n e i t ya n dt h ep a r a m e t e r so f o t h e rm e c h a n i c sp r o p e r t i e sl e da f f e c t a t i o n m a r k e d l y i n t h i st h e s i s ，w e b a s i c a l l ya i m e da tr e s e a r c h i n gt h ew e l d i n gt i e - i n so fa l u m i n u ma l l o y t h e d e t a i l sa sf o l l o w s ： 1 u s ec c dp h o t o g r a p h i n gt e c h n i q u eo na s y m m e t r i c a lw e l d i n gj o i n t sd r e w u n i t a r y d i r e c t i o nt ot r a c kt h e p r o c e s se f f i c a c i o u s l y t h ei m a g e m a n i p u l a t i o n m e t h o di s a p p l i e d t or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so f i n h o m o g e n e o u sd i s t o r t i o nb e h a v i o ro fa s y m m e t r i c a lw e l d i n gj o i n t s ，a n d h o p et oo b t a i nt h ep o s s i b i l i t yo fr e v i s i n gt h ee l a s t i cm o u l do ft i e - i n sa r e a s 2 u s ea b a q u s 6 6b u s i n e s ss o f t w a r et os i m u l a t ec h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n g j o i n t si n h o m o g e n e o u s d i s t o r t i o nb e h a v i o r t h e e x p e r i m e n t a l a n d s i m u l a t i v er e s u l t ss h o w e dt h a tb e f o r et h em a t e r i a la t t a i n i n gm i n i m u m y i e l ds t r e s s ，t h ed i s t o r t i o ni nt h er e g i o n sd e p e n d so n l yo nt h em e c h a n i c s p r o p e r t i e so ft h er e g i o n sp e rs e 3 t h ed i s t o r t i o ni nt h ea n t i p o d e so fw e l d i n gs h e e td e p e n d so nt h em e c h a n i c s p r o p e r t i e so ft h er e g i o n sa p p e a r e da f t e rw e l d i n g ，a n df u r t h e rm o r e ，t h e r e g i o n si n t e r a c t e dw i t he a c ho t h e r w h e nt h es h r i n ka r i s e s ，t h em a x o f s t r a i ni ss m a l l e rt h a nt h ev a l u ef r o ms i m u l a t i o n 4 w h e nt h ej o i n tt u r ni n t os h r i n k i n g ，t h ed i m e n s i o no f j o i n ta f f e c t sl e n g t ho f m i s e ss t r e s sr e g i o no b v i o u s l ya tt h eb e g i n n i n go ft h es h r i n k i n gs t a g e t h e l e n g t ho fm i s e ss t r e s sr e g i o na g g r a n d i z e di fi n c r e a s et h ep r o p o r t i o n b e t w e e nt h ew i d t ho fs a m p l ea n dt h ew i d t ho fh e a t - a f f e c ta r e a h o w e v e r ，i f i n c r e a s et h ew i t ho fs a m p l e ，t h em i s e ss t r e s s r e g i o nt u r n e dl o n g e r g r a d u a l l y ，b u tt h em a x o fs t r e s sb e c a m el o w e r 5 t h ed i s t o r t i o ns t i f f e ni n d e xo ft h ea s y m m e t r i c a lj o i n t si ss m a l l e rt h a nt h e i n d e xo fa l la r e ai nt h ej o i n t s t h ed i s t o r t i o ns t i f f e ni n d e xp r e s e n t e dp e t t y c h a n g ei fa l t e rt h eu n i t a r yp a r a m e t e r so ft h ea s y m m e t r i c a lj o i n t sr e g i o n d i m e n s i o n b u tt h e nt h ed i s t o r t i o ns t i f f e ni n d e xc h a n g e dm a r k e d l yo n i v 硕士学位论文 c o n d i t i o nt h a tc h a n g et h er e g i o ns t i f f e ni n d e x k e y w o r d s ：i m a g em a n i p u l a t i o n ；a s y m m e t r i c a ld i s t o r t i o n ；t h er e g i o n o f m i s e ss t r e s st r a n s f o r m a t i o n ；f e m ：d i s t o r t i o ns t i f f e ni n d e x v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：槐毋 日期：冯夕年6 月r f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密耐。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：花拟 导师签名：i 孪厶l 钞。 ，i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 工程背景 汽车工业早已成为发达国家和地区国民经济的支柱产业，并帮 动着冶金、石化、机械、电子、城建等许多相关行业的迅速发展。 虽然汽车作为社会发达与现代化的标志，带来了社会进步和繁荣。 但是，同时也带来了能源、环保、交通、土地等一系列问题。无疑， 这些都需要汽车工业自身和相关行业共同研究探索，以求得解决。 而铝及其合金因其较小的密度，良好的塑性，以及较高的比强度已 成为汽车车身轻量化设计中考虑采用的重要轻质材料。全球各大汽 车公司都投入很大的力量进行全铝车身设计的研究，并且取得了重 大的科研成果和实际应用效果。日本住友轻金属公司与美国雷诺尔 兹铝制品公司共同开发出种代号为s g t 4 a 的车身铝合金板材，硬 度比普通铝板高1 5 倍，同时也具有良好的冲压加工性h “”；美国的 福特公司和日本的本田公司都已经推出了全铝汽车，每辆的铝用虽 为4 5 0 公斤，价格每辆为7 万美元，计划十年内产量在3 0 4 0 万辆， 价格每辆下降到家用轿车的1 7 万美元左右，而且在速度上都可以有 所提高。奥迪公司在1 9 9 5 年首批量生产的a u d ia 8 型轿车是使用铝 制材料制造汽车车身的最具代表性的成功之作“”汽车上铝合金的 应用主要是形变铝合金，以板材、型材、管材等形式通过焊接粘接等 连接成组合件。防锈铝、硬铝主要应用于车门、发动机罩、车盖、 行李箱罩、地板和翼板，保险杠；铝合金型材一般可以用来制造汽 车上的一些框架n 。”。但是目前车身铝还存在下面问题“： a 成型性还需继续改善。铝合金板材的局部拉延性不好，容易产生裂 纹。如发动机罩内板因为形状比较复杂，为了提高其拉延变形性能采用 高强铝合金，延伸率已超过3 0 ，但还是比钢差，所以在结构设计时要尽 可能地保证形状不突变，让材料容易流动以避免拉裂。 b 尺寸精度不容易掌握，回弹难以控制，在形状设计时要尽可能采用 回弹少的形状。 c 因为铝比钢软，在生产和运输中的碰撞和各种粉尘附着等原因使零 件表面产生碰伤、划伤等缺陷，所以要对模具的清洁、设备的清洁、环 境的粉尘、空气污染等方面采取措施，确保零件的完好。 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 d 不能像钢板那样还采用磁力搬运和传递，要设计新的方案。 e 铝合金车身的焊接没有完全满足要求，需要寻找新的焊接方法。 焊接技术在汽车的制造中占有重要的地位。例如全铝结构的 a u d ia 8 车身部件由5 0 多种型材2 0 种铸件和1 6 8 块板件构成在车 体的制造中由激光来完成的焊缝3 0 m ，m i g 焊缝2 0 m 并采用1 7 0 0 个 自穿孔铆钉，成功的替代了传统的电阻点焊工艺显着的提高了车身 成型的质量”“”。目前铝合金激光拼焊板技术正在开发研究中， 同时激光焊接也广泛运用与铝合金的车身结构件的成型，另外t i g 与m i g 焊接接头在铝合金车身的焊接在原有的基础上逐步走向成 熟。因此采用铝合金代替钢材作为铝合金的汽车车身已经成为一种 重要的发展趋势。 1 1 2 铝合金焊接接头研究的必要性 安全作为汽车发展的三大课题( 环保、节能、安全) 之一，得 到了各国政府的重视，汽车工艺设计的改变需要重新衡量车体重量 和安全性之间的关系。但是我国现有的汽车大部分存在正面碰撞被 动安全性差的问题，而对于铝合金汽车车身这个问题更加没有引起 重视，必须通过改善车身结构以提高铝合金汽车的正面碰撞的被动 安全性，而且改造后的车身结构必须同时满足其车身结构的弯曲、 扭转刚度和固有模态这些基本力学性能要求。而要解决高速碰撞问 题，首先应对汽车车身的简单结构的静态和准静态的材料力学性能 提供保障。对于大量采用焊接这一工艺的结构，如何才能保障整个 结构的安全性，这就是我们研究的主要方向，同时也引发了一个重 要的课题，那就是对于接头的性能的测试。由于焊接的过程中存在 着很多的质量缺陷，比如气孔、热裂纹、未焊透等都会影响整个结 构的安全性。同时采用的焊接方法和工艺不同，焊接接头的不同区 域的材料性能差异很大，对于汽车用铝合金常用的焊接方法有 t i g ，m a g ，激光焊接等等，其中t i g 焊接热影响区较大，接头存在明 显的软化区，激光焊焊缝较窄，热影响区不明显。传统的力学性能 表征方法无法精确的描述接头力学性能不均匀性的影响，而只是人 为的将接头分为母材，焊缝两种材质，这在汽车结构的撞击破坏的 研究中不能满足要求，史耀武对多种材料进行了纯剪切实验和单轴 拉伸实验，得出了剪切强度和抗拉强度的关系式，同时提出了微剪 切韧性的概念，并且用于焊接接头的强度表征“”，但对焊接接头在 载荷作用下接头的力学性能并未做表述；我校朱亮教授等通过有限 2 硕士学位论文 元分析对低合金钢热影响区软化焊接接头的强度及变形进行了研究 n ”，但对于铝合金焊接接头的具体特征并未作研究，并且也缺乏试 验验证因此铝合金焊接接头的性能研究有重要的意义，为焊接结 构件的模拟提供了重要理论数据。 1 1 3 铝合金简单结构的力学模拟的重要性 针对移动装置的安全性，进行铝合金屈服、变形和破坏行为的 研究具有重要的理论意义和实用价值从材料分析，钢制汽车构件 的屈服、交形和破坏行为目前国内外各汽车制造商及研究机构已做 了大量的研究和分析，如。大众”，“奔驰。汽车公司已有了成熟的 分析软件及测试系统。从结构上看，传统的整板冲压汽车构件的力 学分析也已很成熟，但对于拼焊铝结构件的屈服、变形直到破坏行 为的认知仍有许多空白，值得深入研究分析。 铝结构的屈服、变形直至破坏行为的实验研究要花费大量的人 力和财力，特别是移动装置的破坏行为耗资巨大而结合课题的自 身特点采用“计算模拟+ 关键实验”相结合韵方法进行研究，可有效 地节约成本，提高效率。用有限元软件进行模拟、计算，并开发应 用软件；用少量的关键实验对铝结构的屈服、变形和破坏行为进行 观察测定，并验证计算仿真结果，为结构优化设计提供指导。该研 究将对拼焊铝合金结构件在汽车制造业中的应用做深入的技术准 备。研究车身结构大变形的方法主要有理论研究，实物实验和数值 仿真三种。理论研究能抓住问题的本质性的东西，为实物实验和数 值仿真提供一些方向性的建议，但相对来说，比较粗糙。实验验证 是整个研究中不可缺少的，但是实物实验需要大量的人力，物力和 财力，而且危险性很大，因此在实物实验之前，进行数值仿真，对 于改进和优化实物实验的模型具有非常重要的意义。在开展整车或 零部件大变形研究前，对简化模型进行静态和准静态的研究，有利 于掌握问题的一些有关碰撞等的相关的本质性和规律性。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 铝合金焊接方法的研究 1 2 1 1 传统铝合金结构焊接方法 根据文献 8 ，9 ，1 0 铝合金由于重量轻、无磁性、热导率和强度 高、良好的成形性、低温性能、耐腐蚀性能，被广泛地应用于各种焊 3 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 接结构和产品之中，采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减少 5 0 以上。常用焊接方法对铝合金都适用。 1 钨极惰性气体保护电弧焊( t i g g t a ) 钨极惰性气体保护电弧焊接方法因其对铝合金熔化良好的保护而得 到了广泛应用，是应用最普遍的铝合金焊接法，并且在有无焊丝的 情况下都可进行铝合金的焊接。在有焊丝的情况下，其电极与焊丝 独立，克服了熔化极惰性气体保护电弧焊接( m i g ) 方法焊接规范窄的 缺点，可以在大范围条件下进行稳定焊接，特别适合铝合金薄板的 焊接。钨极惰性气体保护电弧焊接方法与焊接铝合金时相同，大多 采用交流( a c ) 或直流逆极性( d c e p ) 。这是因为当母材为负极( 一) 时， 可利用在母材表面产生的阴极斑点破坏、蒸发和去除母材表面的氧 化膜，完成清洗，从而避免氧化夹杂。直流逆极性( d c e p ) 焊接时， 不容易获得较大的熔深。而由于交流焊接时熔深大，电极消耗小， 所以应用更加广泛另外为防止变形和产生焊接裂纹，须注意母材 的约束、焊接顺序、以及预热等 2 熔化极惰性气体保护焊( m i g g m a ) 铝合金的熔化极惰性气体保护焊接方法具有以下特点：由于以 焊丝作为电极，与t i g 焊接方法相比焊接规范范围窄，由于熔融铝 的表面张力小，熔滴从电极丝前端脱离困难且焊接电流过高时熔滴 爆炸蒸发易造成飞溅，对焊丝的输送要求高。其优点是，焊接速度 快，全自动焊接每分钟可高速焊接1 米左右。w o h l f a h r th 等人研 究了a z 3 1 ，a z 6 1 板材的m i g 焊接头的性能，表明接头的拉伸强度可 达到母材强度的8 0 - 1 0 0 ，在反复弯曲应力下的疲劳强度为母材强度 的5 0 ，去除余高后的疲劳强度可达母材的7 5 。 3 激光焊接( l b w ) 由于t i g 焊接能量密度小，焊接热输入大，所以易造成焊缝及 热影响区的晶粒粗大，从而影响焊缝的性能。而激光焊接方法( ( l bw ) 由于其能量集中、热输入低、焊道宽度及热影响区窄、可获得较大 的熔深等优点，而且避免了在电子束焊接时不可在大气中进行焊接 的缺点，所以在铝合金中得到了广泛的应用。当然激光焊接也存在 一定的缺点，如在焊接压铸铝合金时，焊缝容易产生气孔，而且焊 接装置也比较昂贵。 4 电子束焊接( e b w ) 在能束下方立即产生蒸汽，熔融金属随即进入所形成的小孔中。 铝合金的蒸汽压较高，因而所形成的小孔尺寸比其它金属大，易在 4 硕士学位论文 焊缝根部形成气孔。因此，要求在焊接中要密切监控操作工艺以防 止熔融金属过热产生气孔采用诸如使电子束沿着圆周震动和减少 电子束聚集度等操作工艺，将有助于获得良好的焊接质量。研究表 明，与激光焊相比，使用电子柬焊得到的铝合金接头质量更好( 如熔 深更大、熔宽更小) ，焊接速度更高( 高达ls m m i n ) 。其缺点是不 能在大气中进行焊接。总之，由于焊接装置昂贵，以及对焊接条件 要求高，使得电子束焊接应用较少 1 2 1 2 铝合金结构焊接工艺技术发展前景 气脉冲t i g 和m i g 焊接技术 铝合金焊接中应用较广的t i g 和m i g 工艺，保护气体采用氩气 和氮气，其中以氩气应用较多就t i g 焊而言，有交流氩弧焊和直 流正接氦弧焊两种工艺。氦( h e ) 和氩( a r ) 相比，其最小电离能 高，在其它条件和参数相同时，电弧电压较高。因此，氦弧焊电弧 温度高，焊接热输入量大，也具有更高的能量密度，与氩弧焊相比 熔深较大，焊接缺陷特别是焊接气孔较少。据资料介绍，由于直流 正接氦弧焊没有交流氩弧焊阴极雾化去除氧化膜的作用，氧化膜的 破坏程度取决于电弧长度的大小，故直流正接氦弧焊采用短弧焊去 除氧化膜。这样使得焊接时填丝变得较为困难，加上设备等因素的 制约，直流正接氦弧焊一直未大面积推广应用。为了利用氮气电弧 热高的优点并避免纯氦带来的缺点，国外采用气脉冲a t + h et i g 和 m i g 焊接技术焊接铝合金，可大大减少焊接气孔。借鉴国外的经验， 近几年开始进行气脉冲t i g 焊接技术研究，初步试验表明，采用气 脉冲( a r + h e ) t i g 焊接工艺焊接s 1 4 7 铝合金抑制焊接气孔方面有 明显的效果。不开坡口可一次焊透7m m 平板，且表面光泽与氩弧焊 相同，避免直流正接氦弧焊焊缝表面发暗。焊接工艺性、可操作性 也与氩弧焊无异，弧长也无特别限制。 变极性等离子弧焊接技术( v p p a ) 变极性等离子焊接技术用于铝合金焊接，单道焊接铝合金厚度 可达2 5 4m m 。其工艺特点是在焊接过程中，在焊接熔池中心存在 一穿透的小孔，而且在实际生产中通常采用立向上焊工艺，既有利 于焊缝的正面成形，又有利于熔池中氢的逸出，减少气孔缺陷。因 此被称为“零缺陷焊接”。在未来中厚度的大型贮箱焊接生产中， 变极性等离子焊接技术有着广阔的应用前景。 局部真空电子束焊接技术 5 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 由于真空电子束焊接工艺是将被焊工件置于真空环境中进行焊 接，因此可以得到优质的焊缝。同时，电子束高的能量密度使焊缝 较窄，深宽比大，焊接应力和变形较小，在工业各领域尤其是国防 工业中锝到了广泛的应用。 搅拌摩擦焊技术 英国焊接研究所( t w i ) 1 9 9 1 年发明的搅拌摩擦焊为铝合金材料 连接提供了一个新思路。由于此方法属于固相焊，特别适合应用于熔 化焊接性差的有色金属。相对于熔化焊接方法，不会产生与熔化有关 的焊接缺陷，如热裂纹和气孔。但由于方法的限制，其应用仅限于简 单结构的工件。搅拌摩擦焊的原理是，利用摩擦发生的热。在高速旋 转的搅拌头特形指棒周围的金属迅速被加热，并形成了很薄的热塑性 金属层。随着搅拌头的移动形成了搅拌摩擦焊的焊缝。目前，已成功 地进行了搅拌摩擦焊研究的铝合金包括：2 0 0 0 系列、5 0 0 0 系列、6 0 0 0 系列、7 0 0 0 系列、8 0 0 0 系列。 综上所述，铝合金的焊接方法如图1 1 所示，当然，铝合金焊接 中应用较广的t i g 和m i g 工艺。本文就以t i g 焊为例进行实验研究。 图1 1 常用铝合金焊接方法 1 2 2 图像识别技术的研究现状 1 2 2 1 传统的图像识别技术 对二维图像的识别的主要难题之一就是选择兴趣点。一种典型 的兴趣点选择方法是基于灰度值的局部最大变化量方法0 6 1 。但这些 点经常出现在拐角处或不满足平滑约束条件的表面不连续处。文献 1 7 2 0 介绍了特征点识别与提取方法，其中，文献 1 7 中提出 的兴趣算予方法，通过计算每个像素在水平、垂直及对角4 个不同 方向上与其相邻像素的平方和，来确定特征点图象。再通过阈值抑 6 硕士学位论文 制，确定特征点；而文献 1 8 2 0 中所提方法，则是通过每个像 素在4 个不同方向( 水平、垂直及对角) 上与其相邻像素的差值运算， 确定特征点图象，然后通过阈值抑制，确定特征点。这些方法的共 同点是通过对二维图象中的每个像素作水平、垂直及对角4 4 - 方向的 相关运算来确定特征点。其计算量大，对干扰噪声的抑制及外界光 照条件的适应性也较差。 ( 1 ) b a r n a r d “兴趣算子”方法 在图象 f ( x ，y ) ，x = 0 ，1 ，m 一1 ，y = 0 ，1 ，n 一1 中，取 互不重叠的处理窗口w mx n ，m ，n 分别表示窗口的行和列包含的像素 数对每一个位于w mx n 中韵像素f ( x ，y ) 。取水平、垂直、左对角 和右对角4 个不同的方向求这个像素在每个方向上与相邻像素灰度 差的平方和。取算子 f 力= v a i n 饵，v ，厶r ( 1 1 ) 其中： 日= 胁，y ) 一八x - l ，y ) f + 【厂 ，力一f ( x + 1 ，y ) f ( 1 2 ) v - - f ( x ，y ) 一f ( x ，y 1 ) 】2 + 【厂( 力一f ( x ，y + 1 ) y ( 1 3 ) l - - f ( x ，y ) 一八x + l ，y 1 ) 1 2 + 扩o ，力一八x l ，j ，+ 1 ) 1 2 、( 1 4 ) r = l r o ，力一f ( x + l ，y + 1 ) 】2 + 【，( 工，y ) 一f ( x 一1 ，y 一1 ) 】2 ( 1 5 ) 在形。内。求坐标o ，y ) ，使得 f ( 工，j ，) = m a x p 似力) ( 1 6 ) 在矽矗窗口内取得的像素位置o ，) 具有这样的特点：以“，) ，) 为中心， 与它的4 个方向邻点像素的灰度差都很大。 ( 2 )s o b e l 算子方法 对数字图象 f ( i ，j ) 的每个像素，考察其上、下、左、右邻点灰度的 加权差，则与之接近的邻点的权大。据此，s o b e l 算子定义如下： 踯力= | 【傅一1 _ ，一1 ) + 2 _ 砸一l 力+ m 一1 ，_ ，+ 1 ) 一( 所+ l ，一1 ) + 2 ：厂( f + l d + 厢+ l _ ，+ 1 叫 + i ( 八，一l ，_ ，一1 ) + 2 ，u _ ，一1 ) + ，u + l ，_ ，一1 ) 一( ，u l ，_ ，+ 1 ) + 2 以，+ 1 ) + 八f + l ，+ 1 ) _ ( 1 7 ) 7 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 适当取阈值五，作如下判断：s ( f ，力 五，则( f ，d 为特征点，( f ，_ ，) 为特征 点图像在这一过程中，还有很多不定因素，所以这一步是以后编程工 作的重点和难点，从算法及其他方面都应随时调整。 1 2 2 2 图像识别技术的研究现状 文献 1 7 中的“兴趣算子”及文献 1 9 中s o b e l 算子，在对特征点 进行识别与提取时，不能排除因物体遮挡引起的灰度阶跃对特征点提取 的影响，往往会将这一灰度阶跃作为一部分特征点提取出来实际上， 该灰度阶跃是因物体遮挡而使其相邻面光照不同而引起的，其并不对应 真实的特征点，即文献 1 7 、 1 9 】对光照条件十分敏感，且要求较苛刻 除此之外，文献 1 7 、 1 9 中方法也会将一部分背景噪声及前景噪声作为 特征点提取出来，文献 1 7 中算法的阈值为1 5 0 ，窗口大小为7 x7 ，文献 1 9 中算法的阈值为1 0 0 。采用b a r n a r d 兴趣算子或s o b e l 算子，虽能提取目标 特征点，但若物体相邻面及物体与背景间存在灰度差异，上述两种方法均 没完全消除该灰度差异造成的影响为能最大限度地抑制干扰噪声和外 界光照条件的影响，可相应地提高阈值，但随之会抑制相当一部分实际 特征点。 通过对二维图象的灰度分析知，在识别与提取二维图象中的特征点 时，只需对二维图象中的像素点作水平( 或垂直) 方向上的灰度差值运算， 而不必作4 个方向( 水平，垂直及对角) 的相关运算因特征点在灰度曲 面中表现为朝下突出的“线状长纹”，虽然噪声在灰度曲面中也表现为“线 状”，但其朝上突起且长度较短因此，如能选择一合理阈值，就能直接 在水平( 或垂直) 方向上抑制二维图象中的噪声点而突出有用的候选特征 点信息 此外，因遮挡而使物体相邻面灰度出现差异，在灰度曲面中表现为 灰度的整体阶跃从图象灰度分析知，灰度阶跃及物体面( 前景) 上灰度 均高于分布于物体面上的特征点灰度。特征点灰度愈小，在灰度曲面中朝 下突起愈明显，其突出的“线状长纹”也愈长，即灰度愈小，其表征特征点 的概率就愈大。因此，在选择阈值抑制噪声而突出有用的候选特征点信息 后，为剔除相邻面因照度不同而出现的灰度整体阶跃及提取出实际特征 点，需在包含候选特征点的窗口内，将灰度值最小的候选特征点确定为 特征点。 基于上述分析，东南大学电子工程系博士后流动站的管业鹏博士及童 林夙教授提出了一种新的特征点识别与提取算法 2 q 。与文献 1 7 、 1 9 中所提方法就特征点识别与提取结果作了对比，能有效提取特征点，且抗 8 硕士学位论文 - _ _ _ _ _ i i _ 干扰能力强，对外界光照条件具有较强的适应性，不因物体的遮挡而影 响特征点的识别与提取。 具体算法如下： ( 1 ) 若以数字图象矩阵中某像素点( i ，j ) 为特征点，其灰度为f ( i ，j ) 以其为中心，在其同行( 或同列) 各取f f i ( m = 3 或4 ，1 0 等) 个像素点， 它们对应的灰度值分别为：f ( i - m ，j ) ，f ( i m + l ，j ) ，f ( i + m ，j ) ，与特 征点像素灰度的f ( i ，j ) 差值为，。 i x = f ( i + k ，j 1 一f q ，订 1 8 ) 或 i x = f ( i ，_ ，+ 七) - f o ，力 ( 1 9 ) 其中，k = 4 - 1 ，2 ，m 取一合理阈值t ，则有以下逻辑关系式成立 i x 乏t ( 1 1 0 ) ( 2 ) 在以像素点( i ，j ) 为中心的窗口( 如3 x 3 或5 5 ，7 7 等) 中，将灰度最小的像素点确定为特征点。 八j ，j ) = n f m ， ，v ，) 厶乃 ( 1 1 1 ) | ，j t 。， 需要说明的是： 以f ( i ，j ) 为中心，在其同行或同列各取一定数目的像素点进行相关运 算，均能确定特征点，两者在特征点识别与提取结果上，不存在任何差 别两者之间的唯一差别，仅在于提取特征点时，扫描制式的不同，即 是采用横向扫描还是竖向扫描：另一方面，由于特征点在灰度曲面中表现 为朝下突出的线状长纹，不会因扫描制式的不同而变化，因此，选择相 同阈值，两者均能达到抑制噪声而突出特征点信息的目的此外，因在确 定特征点时，是将包含于候选特征点窗口中灰度最小的候选点确定为特 征点，这样便剔除了灰度阶跃对特征点提取的影响因此两种扫描制式 的特征点提取结果是相同的 特征点在灰度曲面中表现为朝下突出的线状长纹，其长度代表特征点 与前景间的灰度差，即阈值t 因此，从灰度曲面中便可直观地确定阈值 t ，这是其他方法( 如文献 1 7 ， 1 9 中所提方法) 所无法比拟的。 算法中同行或同列所取的m 值，要求满足m 三3 但过大的r a 值，虽可包 括足够多的灰度变化信息，但也会覆盖其他特征点区域，这势必导致遗 漏某些特征点：过小的m 取值，其包含的灰度变化信息少且信噪比低， 很难准确提取出特征点，因此要求合理选取m 值通过对不同图象的多 次实验，m 一般取值在3 1 0 的整数范围内是合适的同理，包含像素 9 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 点( i ，j ) 的窗口wp q 也要求大小适宜，一般( p ，q ) 取值在3 1 0 的整数范围内 1 3 不均匀接头的应力应变场研究现状 焊接接头结构上的不连续性和组织上的不均匀性，导致常规力 学性能试验无法准确反映接头复杂的应力应变状态。通常汽车焊接 结构安全性的评价采用结构应力分析方法，其假设条件与实际情况 相差甚远，故其结果的误差极大，且无法描述接头应力应变的分布规 律，事实上，在点焊结构中应力分布是不均匀的，因此，在传统的焊接 结构设计时往往用较大的安全系数来弥补这种不足。 1 3 1 点焊接头应力应变场分析 电阻点焊技术具有广泛的工程背景，引起了国内外科技工作者 的高度重视，成为焊接领域的研究热点，并获得了相应的研究成果”： 研究者通过理论分析计算、有限元分析，建立了相应的焊接模型”。4 ： 研究考察了电阻点焊接头的应力应变场、结构强度及其影响因素， 提出了电焊接头的结构应力、缺口应力及应力强度因子的分析评定 方法“。6 ：采用断裂力学理论分析研究了点焊接头的疲劳行为及其 影响因素：提出了通过阻止接头中裂纹萌生提高疲劳寿命的一些方 法”。文献 4 6 中，对点焊不均匀接头的应力应变场进行了分析， 由于接头处于小变形条件范围内，模拟时取材料的应力应变特性仍 可运用弹性力学的平衡方程和几何关系，即 肛r p 扣矿= 扩) ( 1 1 2 ) 扫 = 陋弦 ( 1 1 3 ) 式中 b 为单元应变矩阵， o ) 为单元内任一点的应力列阵， f ) 为节点载荷列阵， c 为单元内任一点的应变列阵， 6 ) 为单元节点 列阵由于应力应变的物理关系在弹塑性条件下是非线性的，其一般 形式可表达为 f 悟) ，p ) = 0 ( 1 1 4 ) 由线弹性有限元可得到以节点位移表示单元应力的关系式 = d p ( 1 1 5 ) 式中 d 为弹性矩阵。将式( 1 15 ) 代入式( 1 1 2 ) 有 瞳淞) - 驴 ( 1 1 6 ) 式中k ( 6 ) 为单元刚度矩阵， k _ i b d b d v ， d 为弹性矩阵。 1 0 硕士学位论文 由于在塑性阶段应力应变关系是非线性的，因此k ( 6 ) ) 随着 6 ) 的变化而变化。式( 1 1 6 ) 为一非线性方程组，采用变刚度法中的 切线刚度法对其进行线性化处理，进而应用线弹性有限元方法加以 求解。 将材料的应力应变关系表示为增量形式 d p = 睇扛凇协 ( 1 1 7 ) 式中怫叠 】是切线弹性矩阵。将式( 1 1 2 ) 改写为 妙( p ) ) = 肛r p 炒一扩 = o ( 1 1 8 ) 计算由于( 6 改变一增量d 6 引起 v 的变化 重嚣霹三重 嘲蠼仉 将式( i 1 3 ) 和式( 1 1 7 ) 代入式( 1 1 9 ) 有 激耱一孙磁鹱( 1 2 0 ) 式中 k = ， b 7 d 7 ( e ) b d v 为切线刚度矩阵。 利用n e w t o nr a p h s o n 方法求解，其迭代式为 瑟骛l ! 越够e + i 置未蔗醛荔( 1 2 1 ) 黧璐菇罐璐。i 垂6 罐( 1 2 2 ) 式中 v n = j b o ) n d v 一 f ) ( i 2 3 ) 在弹塑性小变形情况下，材料的应力应变关系是复杂的，必须 对其弹塑性性质进行分析，得到其弹塑性矩阵。由实验可知，材料超 过屈服极限后，弹塑性应力和应变之间没有一一对应关系，即应变不 仅和应力状态有关，而且还依赖于整个加载过程在一般情况下，对 于弹塑性状态的复杂应力应变关系，建立反映加载路径的增量关系 是合适的。 由v o n m is e s 准则，材料在复杂应力状态下的形状改变能达到 单向拉伸屈服时，即应力偏张量的第二不变量达到某值时，材料开始 屈服 以= 丢k 一口：) 2 + 杌一吒) 2 + ( 吒一q ) 2 】= 丢瓯岛 ( 1 2 4 ) 式中j ：为应力偏张量的第二不变量，o - 为主应力 下式表示 纛s 虿净i 一伊一疆 s 。，为偏应力，可由 ( 1 2 5 ) 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 2 三一叠要。2 i l - s ，戆( 1 2 6 ) 女一一，一萨。脚 。”tj-u， 毫= 一o 。弘1 - - - 0 磊2 ： ( 1 2 7 ) 善一! ( j 姑噫( 1 2 9 ) 斯 一+4 *l 二了， i 。，蛆 璺热 璧曼li 歉h 一三d ；d 。d 。：嚣。e 露( 1 3 1 ) 。i 一 硕士学位论文 记： 冀霉】聂i 擘疰纳l 鼋 可得增量形式的弹塑性应力应变关系式 d = 一黛 ( 1 3 4 ) ( 1 3 5 ) ( 1 3 6 ) 鞭哆“薹耪】：飙磋 ( 1 3 t ) 这样非线性方程组就可以转化为增量形式的线性方程组，就可 利用有限元进行计算分析。在有限元分析计算中，假设材料符合 r a m b e r go s g o o d 关系，将材料简化为线性硬化模式，不考虑热影响区 材料特性变化带来的影响。为了对模拟结果进行验证，对试样进行了 剪切拉伸试验，试验时在试板外表面粘贴7 块应变片，应变片沿电阻 电焊电极压痕靠拉伸端一侧分布，紧靠压痕边缘并与焊点径向对准 试验结果表明：试样变形的位置和大小随载荷的变化规律与数值模 拟结果相吻合，测得数值小于模拟值，误差在1 0 1 5 。可以说明有 限元数值模拟试验分析是可行的，离散化模型准确反映了实际结构 特性。 为进一步研究点焊接头局部应力应变的变化规律，在几种工况 下，对其应力应变场进行了模拟试验分析计算。图4 为母材板贴合面 中心线上随x 变化的应力分布规律状况，由图中可以看出，各种最大 应力均出现在x = 2 5 m m 或x = 一2 5 m m 附近，即在焊核与母材板的交界 面处。在该处出现奇异应力变化，这是由于该处的结构突变所造成 的。 汽车铝合金薄板焊接接头变形行为研究 栅 国v 螗l 酗- 群躐- 孵髓翦澎老 基。；。、。翰l 翱鳓避应力。，= 雕萝断的惩瘦宠 图1 - 2 点焊接头中心线上随x 变化的应力分布 f 警 蓉 氯。一。瓣撵雠黛分纛一一、：。娜燃鼢髯一磊 图1 - 3 点焊接头中心线上随x 变化的应变分布 通过对点焊接头分析发现，通过合适的有限元模型对不均匀点 焊接头可以进行有效的模拟，模拟所得的应力应变场与实际比较相 符。 1 4 t 蠡h l，争“l：；：。f一一基器 硕士学位论文 1 3 2 对接接头应力应变场分析 目前焊接结构完整性与可靠性研究领域的热点，研究的主要目标是 建立考虑力学性能不均匀的焊接接头强度的工程评定方法，以及焊接构 件弹塑性断裂工程分析方法，为焊接结构的设计和安全评定提供理论依 据。 在焊接结构的设计中，接头强度是首先要考虑的基本工程参量，很 早人们就认识到力学性能失配对接头的强度的影响，并进行了试验研究 文献【4 7 ，4 8 试验研究了焊缝低匹配焊接接头的强度，焊缝强度的降低会 使接头的强度下降。在他们的研究中都没有考虑热影响区强度的变化对 接头强度的影响oma k s e l s e n t a i 4 9 研究了高强钢焊接接头热影响区韵 强度，结果表明，当冷却速度较大时( f 8 ，5 1 0 2 0 s ) ，熟影响区的强度会损失1 0 3 0 ，同 时提出了预测热影响区强度的经验公式 由于接头失配形式差异，接头失配对接头强度影响的复杂性，其研 究成果仍局限在相关性的经验总结。近年来，这方面的研究仍在继续。 例如，a l t i n ojr l o u r e i r o 【如】试验研究了焊缝低匹配接头的拉伸性能，应 变集中将发生在屈服强度较低的焊缝，使接头的强度延性下降。h q i u l 5 l j 对7 8 0 m p a 级别钢焊接接头进行试验研究，这种钢接头的热影响区发生 软化，焊缝金属无论是高匹配、低匹配还是等强匹配，拉伸试样的颈缩 都发生在热影响区，接头的强度均低于母材，但焊缝高匹配的接头的强 度明显高于低匹配接头a s u b h a n a n d a 5 2 】在马氏体钢的火箭外壳的长焊 缝接头试验中发现，焊缝强度失配对其承载能力有明显的影响。另外， 通过试验研究失配焊接接头强度与母材强度、填充金属强度、板厚及焊 接工艺参数间的关系，回归出上述各参数问的经验关系”“j z