焊接构件虚拟疲劳仿真分析

1、52重型机械2008No13焊接构件虚拟疲劳仿真分析郭卫,佟占胜(西安科技大学机械工程学院,陕西西安710054)摘要:,值仿真结果及焊接接头S-N曲线数据,的预测。关键词:焊接构件;:A:1001-196X(2008)03-0052-04AnalysisofvirtualfatiguesimulationforweldedcomponentGUOWei,TONGZhan2sheng(XianUniversityofScienceandTechnology,SchoolofMechanicalEngineering,Xian710054,China)Abstract:Fatiguedamage

2、occursofteninseamweldinweldedcomponent.Thevirtualfatiguetestingmethodisputforwardtosolvethisproblem.ThismethodmakesuseoffiniteelementnumericalsimulationresultsandthecurvedataofweldedjointsS-Ntosimulatefatiguetestingprocessandforecastfatiguelife-spanofweldedcomponentbymeansofcomputer.Thesimulationana

3、lysisofthefatiguelife-spanoftheweldedcomponentprovestheanti-fatiguedesignmethodisfeasible.Keywords:weldedcomponent;fatiguelife-spananalysis;finiteelementanalysis;fatiguedamage1前言焊接部件受到动载荷作用,经过一定时间,焊缝处就会产生裂纹,裂纹继续扩展,导致构件的疲劳断裂失效1测,并可以基于数值模型进行设计方案的对比修改,从而以最短的周期、最低的成本支持产品结构抗疲劳设计。焊接结构一般按照其金属2焊缝疲劳寿命仿真流程板材的

4、焊缝类型有许多种,典型的焊缝如图1所示,焊接区域主要包括热影响区、熔合区、结构的疲劳设计准则与结构形式设计,许多焊接结构疲劳断裂案例表明,对焊接构件缺少抗疲劳设计是造成焊接构件疲劳失效的主要原因。因此,如果能在设计初期对焊缝的疲劳寿命进行预测,以了解整个焊接结构上焊缝疲劳寿命的分布情况,就可以在焊接过程中对焊缝处的处理方式进行合理调整,提高产品的整体疲劳性能。本文提出虚拟疲劳试验方法,在没有物理样机的产品设计中,基于有限元数值仿真结果及焊接接头S-N曲线数据2焊缝和母材。,对产品结构进行疲劳寿命预收稿日期:2008-02-28;修订日期:2008-03-10作者简介:郭卫(1956-),男,西

5、安科技大学机械工程学院教授。图1坡口焊缝图© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2008No13重型机械53现代焊接技术和高强度焊丝的应用使焊接接头的静强度可以达到母材的静强度,但是由于焊接过程中的高温影响,使焊接区域的热影响区和熔合区产生焊接残余应力,对于焊接结构疲劳强度的影响很大。因此焊接接头的疲劳强度低于与其连接的母材的疲劳强度,在工作过程中,焊接结构的疲劳强度取决于焊接接头的疲劳性能。虚拟疲劳寿命仿真流程如图2所示,除了CAE模型外,3料的疲劳性

6、能参数,S-据;。焊接构件的半成品如图4所示,焊缝都是由三角焊缝组成,并采用二氧化碳保护焊,使用与钢材同等强度的焊丝焊接。图4焊接构件半成品图2虚拟疲劳仿真流程图焊接构件薄板材料均为Q550,其性能参数如表1所示。表1Q550材料性能钢牌号550材料参数可以根据相关标准从试验中直接获得,也可以查阅文献,从材料手册中获得。根据载荷工况和边界条件,采用有限元仿真技术,就可以得到焊接构件的应力应变状况及应力应变载荷随时间变化的历程,进一步对焊接构件进行疲劳仿真测试,找出焊接构件焊接的薄弱部位,再重新修正,以保证整体构件抗疲劳设计。s/MPa550b/MPa670830伸缩率5%16该构件在工作中,同

7、时承受拉伸力和挤压力,焊缝处容易出现破坏。本文应用MSC1Fatigue疲劳仿真分析软件完成液压支架焊接部件的寿命预测。Seamw(seamweld)是MSC1Fatigue中一个专门预测薄板结构连续焊接寿命的模块。本文采用有限元软件MSC1patran进行网格划分,将有限元模型划分为84325个四节点壳单元,83924个节点。其中焊接单元为2648个,焊趾单元为5053个,为了加载和约束处理方便,将销轴连3焊接构件疲劳分析311有限元模型及静强度计算沿着焊趾的单元长度大约为45mm;焊接起始、终止、拐角必须模拟为圆角;模拟疲劳计算的壳单元必须位于薄板模型的中性面上3所示。3-5。按照以上的原

8、则对焊接构件建立有限元模型如图接处的铰接点使用MSC1patran特殊单元MPC处理。在构件整体受力大约为275kN,得到Von© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 54重型机械2008No13Mises应力结果如图5所示,从图中可以看到应金焊接结构的疲劳分析4。根据有限元静强度力应变分布情况,最大应力为470MPa。计算结果,从焊趾单元节点上提取的应力状态来判断该节点是处于“刚性拉压”还是“柔性弯曲”状态,如图7所示,不同的情况需要调用不同的S-N曲线

9、来进行随后的疲劳损伤和寿命计算。图5312,钢材的疲劳和拉伸特性之间的经验关系已经比较成熟。钢材的S-N曲线可以用极限抗拉强度来绘制,如图6所示。314焊缝寿命计算结果分析图7焊缝刚性和柔性S-N曲线将有限元分析所得静强度结果和材料特性、载荷工况,传递给MSC1Fatigue进行疲劳寿命仿真分析,利用VOLVO焊缝疲劳计算方法对该焊接结构件的疲劳寿命进行计算。图8所示是焊趾单元疲劳寿命分析结果。图9是焊接单元寿命的对数显示结果,两图都直观地反映了焊接构件的寿命分布情况。图6钢材的通用S-N曲线根据Manson法:S3018Sb,S8=01274Sb,图中Se为疲劳极限应力值,S6为人为规定循环

10、寿命N=10时的应力值,材料的疲劳极限SeS6=015Sb,由著名的Basquin公式可知直线斜率b6logS8-logS3=logN8-logN31017458式中,N3、N8为疲劳寿命值,分别为10、10。取Q550的极限抗拉强度Sb为750MPa,循环寿命计算公式N=N0Sb,N0=10,所以当6S=470MPa时,N=88363。313载荷历程和材料疲劳特性疲劳寿命计算还需要载荷的变化历程和材料性能参数。载荷变化历程采用标准的正弦时间曲线与应力幅值结合作用于焊接构件之上。材料性能参数采用英国标准BS7608,进行钢材或铝合© 1994-2010 China Academic

11、Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2008No13重型机械55(2)有限元虚拟疲劳仿真计算的寿命相对较表2为疲劳寿命的节点列表,表中按照疲劳寿命从小到大的顺序显示了易损坏的10个节点位置的疲劳寿命,其中可见第19360号节点位置,焊接构件的加强板与主筋板连接处,由于受到拉应力和压应力反复的作用,因此疲劳损伤最大、寿命最短,其值为在施加的循环载荷下能重复57213次。综上,从理论方法和有限元的方法对焊接构件的寿命进行了分析,分析数据结果基本一致,19360,高于实际设计寿命,这是因为虚拟疲劳仿真分析计算结果相对理想

12、化的原因,因为分析并没有考虑到实际情况中焊接接头质量、温度变化、腐蚀等对疲劳强度的影响。参考文献:1霍立兴,王东坡,王文先.展和津:天津大,2,.MSC.Fatigue疲劳M.北京:科学出版社,2005.3朱涛,高峰,张步良.汽车结构中焊缝疲劳寿命表节点号码19360134222129934555413331921313537345264134233816预估.汽车技术J,2006,(10):37-40.4BS7608.Codeofpracticeforfatiguedesignandas2损伤程度11748E-511745E-511151E-511045E-511044E-511026E-6

13、11025E-591272E-691266E-661158E-6疲劳寿命517213E4517291E4816896E4915746E4915812E491748E4917545E4110785E5110792E511624E5对数寿命41757541758141939419811419814419889419892510328510331512106sessmentofsteelstructuresS.London,BritishStandardsInsution,1993.5兆奇,丁彦闯.焊接结构虚拟疲劳试验技术研究J.机械设计,2007,24(1):48-50.宝钢开发出为汽车“减重节能”的热镀锌TRIP钢日前,宝钢成功开发出热镀锌TRIP钢板,进一步丰富了宝钢汽车板家族,使宝钢在开发先进高强度汽车板方面又向前迈了一步。热镀锌TRIP钢又称为热镀锌相变诱发塑性钢,兼有高强度和高延伸率,是应对汽车“减重节能”所用高强度钢板中的一种。自2002年宝钢实现600MPa级别冷轧TRIP钢的产业化后,研究院汽车用钢研究所会同宝钢分公司炼钢厂、热轧厂、冷轧厂、制造部及销售中心课题组的相关人员,克服了诸多困难,在国内率先成功试制出强度级别为600MPa的热镀锌TRIP钢,产品性能达到国际同类产品水平。4结论本文介绍了一套疲劳寿命分析过程,从结构设计到有限