一种基于能量耗散的对接接头疲劳寿命快速预测模型

通过引入ISV(internal state variable)本构模型中的α和β变量,建立了一种与对接接头高周疲劳滞弹性和非弹性行为相关的能量耗散模型,并定义了两个特征应力幅,即标志着可恢复滞弹性和不可恢复非弹性行为开始形成的关键应力幅σ_c0和σ_c1(疲劳极限);借助该能量耗散模型,研究了不同应力幅下的对接接头能量耗散响应情况,发现能量耗散在疲劳极限附近呈现从线性响应到非线性响应的过渡;在此基础上,考虑到当应力幅高于疲劳极限时,全寿命周期的能量耗散存在临界值,结合与损伤相关的非弹性耗散,研发了一种基于损伤累积的疲劳寿命预测模型,并对接头的疲劳寿命进行了快速预测.结果表明,经预测数据和试验数据拟合的中值S-N曲线一致程度较好,从而证明了模型可用于实现对接接头的疲劳寿命快速、精确预测.     

基于能量耗散的激光焊对接接头高周疲劳性能快速评估

基于红外热像法获得对接接头疲劳自热温升数据,建立激光焊对接接头能量耗散疲劳评估模型. 借助能量耗散模型,对Q310NQL2-Q345NQR2激光焊接头高周疲劳过程的疲劳性能进行了研究. 结果表明,随着应力幅值的增加,Q310NQL2-Q345NQR2激光焊接头的能量耗散随之增加,并在疲劳极限附近出现了拐点. 结合 RVE(representative volume element)模型分析,该拐点正是材料内部从单一的可逆微结构运动到同时包括可逆和不可逆的微结构运动的转折点. 其中不可逆微结构运动相应于引起材料损伤的非弹性耗散,当损伤累积到一定程度,其相应的非弹性能量耗散也存在阀值. 以此阀值作为疲劳寿命预测参量,建立高周疲劳激光焊对接接头疲劳寿命预测模型,实现S-N曲线的快速预测.     

基于能量耗散的Q460焊接接头疲劳强度评估

传统基于温度数据的疲劳强度预测方法,无法揭示疲劳过程背后的不可逆能量耗散机理. 针对Q460焊接接头疲劳强度,提出一种新的基于不同载荷等级下能量耗散斜率转折的疲劳强度预测方法,即最大斜率法. 采用红外热像仪测得的试件表面实时热像数据,建立高周疲劳过程能量耗散模型,并计算不同载荷等级下的Q460焊接接头能量耗散值. 借助不同载荷等级下的能量耗散随载荷等级增加时其值存在转折点这一理论,将能量耗散作为疲劳强度的预测参量,实现其疲劳强度的快速预测. 为验证模型的准确性,将由最大斜率法得出的疲劳强度估计值分别与传统双线法和升降法的计算值进行对比. 结果表明,由最大斜率法得到的疲劳强度预测值与通过双线法和升降法得到的预测值较为接近,误差分别为0.04%和7.40%,能够为焊接接头疲劳强度预测提供一定的参考.     

基于能量耗散的Q460焊接接头S-N曲线快速预测

针对传统S-N曲线所需试验周期长、样本数量大等特点,陈述了一种将焊接接头高周疲劳寿命、疲劳极限及统计学结合起来的三参数S-N曲线快速预测模型。通过确定随载荷增加的稳定温升阶段能量耗散转折点,并以此为索引进行疲劳极限预测。考虑当载荷高于疲劳极限时,试件全寿命周期内的累积损伤阀值存在,建立基于能量耗散阀值的中值S-N曲线预测模型。然后,结合极大似然法完成存活率为95%的S-N曲线快速预测。为验证模型的有效性,将预测S-N曲线与试验数据进行对比,结果表明试验数据基本分布在中值S-N曲线和存活率为95%的S-N曲线之间,从而验证了模型的精确性。     

基于BS7608标准的点焊试样疲劳寿命预测

基于BS7608标准对点焊接头进行疲劳寿命预测。运用壳单元、CWELD/ELPAT点焊连接单元建立点焊拉剪试样有限元模型,利用Nastran软件做线弹性分析,将线弹性分析结果导入疲劳分析软件,以BS7606标准提供的焊接接头S-N曲线为依据,对点焊试样进行疲劳寿命评估。疲劳寿命预测结果与疲劳试验结果对比表明,不同载荷下的点焊疲劳寿命预测结果与试验寿命有良好的一致性。     

不锈钢点焊接头S-N曲线转折点的优化过渡

基于成组法、升降法试验,绘制出不锈钢点焊接头S-N曲线,根据所绘制的S-N曲线和升降法试验数据分析比较确定S-N曲线在转折点处需要进行转折过渡.为了使制定出的S-N曲线和转折点疲劳寿命N₀具有更好的实际工程应用价值,提出了过渡点处采用变斜率斜线段连接的理论及方法.通过试验验证了S-N曲线转折点处采用变斜率斜线段过渡方法的可行性,并对两条曲线进行了比较分析.结果表明,利用新方法绘制的S-N曲线能更准确的显示点焊接头的性能.     

基于结构应力法的环焊结构S-N曲线分析

工程上多采用△F-N曲线来预测环焊的疲劳寿命,但耗时费力且不具普适性,为改进上述不足,提出了一种环焊试件疲劳寿命评估的S-N曲线.采用多种试件进行拉剪疲劳试验得到疲劳寿命,利用壳单元、梁单元以及刚性rigid单元建立环焊有限元模型,根据结构应力法计算拉剪载荷下环焊结构应力,以焊核处的应力范围△σ_s为纵坐标,试验寿命N为横坐标,采用两参数对数模型,以最小二乘法对疲劳数据线性拟合得到环焊疲劳寿命评估的S-N曲线方程.结果表明,数据点大都位于5倍寿命范围内,其预测寿命较为接近试验真实寿命,能够为环焊结构的寿命预测提供一定的参考.     

基于能量耗散的AZ31B镁合金接头疲劳极限快速评估

疲劳过程中材料的温度升高主要是由能量耗散引起的,可以据此来对材料或构件的疲劳性能进行评估. 试验过程中热边界条件的变化可能会使得评估结果变得不可信,文中利用能量耗散引起的温升对AZ31B镁合金手工TIG焊接头的疲劳性能进行了评估. 为了克服边界条件变化的不利影响,基于线性偏微分方程边值问题的叠加原理将测量得到的原始温度数据拆分成两部分:边界条件引起的温升和能量耗散引起的温升. 在此基础上,进一步提出将能量耗散引起的温升用于疲劳性能评定. 文中就所提出的理论给出了相应的数据处理方法. 结果表明,基于经过处理的温度数据,采用经典能量耗散方法(Risitano法)对去余高接头(ground flush, GF)和原始完整接头(as-welded, AW)疲劳极限的评价结果分别为58.85和62.61 MPa,其相对于由S-N曲线获得的疲劳极限(循环周次为2 × 106)的误差分别为?11.82%和?0.03%.     

ST12汽车钢板拉剪点焊接头的疲劳强度

针对车身使用的ST12低碳钢板,利用生产线上焊接设备制备了电阻点焊接头拉剪疲劳试件.对点焊接头区域进行了金相组织观测,测量了焊点附近的维氏硬度值分布.在MTS材料疲劳试验机上进行了恒幅疲劳加载,得到了ST12低碳钢板的电阻点焊接头的S-N曲线.基于所得的S-N曲线进行了两级疲劳加载试验,对两级加载下的线性累积疲劳损伤进行了分析.累积损伤结果分析表明,ST12低碳钢板电阻点焊件在两级加载下存在加载次序效应,高-低加载次序下加载次序效应更为明显.     

铝合金搅拌摩擦点焊疲劳性能研究

研究了2mm厚的6082-T6铝合金搅拌摩擦点焊接头的疲劳性能。在最优的焊接工艺参数和良好的焊接接头的基础上,完成了点焊接头的疲劳实验,观察分析点焊接头薄弱环节的微观组织和疲劳断口的形貌,并测试接头显微硬度,得到了在一定范围内预测疲劳寿命的表达式。结果表明:疲劳裂纹在上下板间的接头根部起裂,在热影响区和热力影响区的交界处扩展直至断裂;微量元素形成的强化相在很大程度上影响点焊接头的疲劳性能;点焊接头的疲劳寿命随着应力强度因子的变小呈增大趋势。     

搅拌针对FSSW-B接头界面组织与力学性能的影响

铝/镁异种金属复合结构在结构轻量化领域具有极大的应用价值。采用新型搅拌摩擦点焊-钎焊技术(friction stir spot welding-brazing,FSSW-B)对铝/镁异种金属进行搭接点焊,同时与搅拌摩擦钎焊(friction stir spot brazing,FSSB)工艺进行对比,研究焊接工具中搅拌针的存在对接头界面组织与力学性能的影响。FSSW-B接头界面中间层分为明显上下2个部分,上层界面主要为MgZn₂相,下层界面主要为Mg₇Zn₃相;FSSB接头主要为MgZn₂相。接头的断裂模式主要为界面剥离断裂,由于搅拌针的存在,出现了眉状断裂模式。搅拌针的存在提高了接头的抗拉剪性能与疲劳性能,FSSW-B接头的最大抗拉剪力为7600 N,疲劳极限为3366.6 N;搅拌针使抗拉剪性能提升了53.5%,使疲劳性能提升了11.4%;FSSW-B中搅拌针的存在增加了接头疲劳性能的分散性。     

基于微观建模法的焊接接头低周疲劳寿命预测研究

提出一种微观尺度的有限元模型,模拟了焊接接头的变形和短裂纹的萌生寿命。该模型考虑了焊接接头晶粒取向的不同和焊缝不同区域力学性能的差异。塑性应变能被作为疲劳损伤参量,结合疲劳寿命的能量准则来预测疲劳裂纹的萌生寿命。通过分析钛合金电子束焊的实验数据对该模型进行了验证。结果表明,在恒幅载荷作用下,焊接接头裂纹萌生于焊缝区多个晶界交汇或者较大且轮廓有畸变的晶粒内;微裂纹主要以Ⅰ型裂纹扩展;该微观有限元模型结合疲劳寿命预测的能量法在微观尺度上能够较好地完成焊缝疲劳性能的表征和疲劳寿命的估算。     

基于灰色系统理论的A7N01铝合金焊接接头疲劳寿命预测

以A7N01铝合金MIG焊接试样为研究对象,通过拉伸试验和疲劳试验确定A7N01焊接接头的应力应变曲线及疲劳寿命曲线;利用灰色系统理论建立GM(1,1)模型和等维灰色递补GM(1,1)模型,将两模型运用到A7N01铝合金焊接接头疲劳寿命预测中,并用试验值对两模型的预测精度进行评估。评估结果表明,GM(1,1)模型和等维灰色递补GM(1,1)模型均可对A7N01铝合金焊接接头疲劳寿命进行预测,且等维灰色递补GM(1,1)模型的预测精度高于原始GM(1,1)模型,等维灰色递补GM(1,1)模型可以更好地预测A7N01焊接接头的疲劳寿命。     

结构胶-自冲铆混合连接剥离性能数值模拟

为研究结构胶-自冲铆混合连接接头的剥离性能及结构胶与自冲铆的相互影响关系,利用ABAQUS软件建立了T型接头数值模拟模型。采用了内聚力模型模拟结构胶损伤,采用了渐进损伤模型模拟铝合金的损伤。对比了剥离试验结果,结构胶-自冲铆混合连接T型接头数值模型预测的能量吸收值误差为3.44%,验证了仿真模型的有效性。对比了结构胶-自冲铆混合连接和自冲铆接的剥离试验力-位移曲线,结果表明:结构胶使自冲铆接T型接头的能量吸收值提高了45.0%。对比了结构胶-自冲铆混合连接和结构胶接的剥离仿真胶层损伤云图,结果表明:自冲铆使结构胶接T型接头的胶层损伤面积得到了有效的降低。     

AZ31B/TA15异种材料电阻点焊接头的疲劳寿命预测

对镁合金AZ31B/钛合金TA15异种材料电阻点焊拉剪接头进行了恒幅疲劳测试,并使用扫描电镜观察了疲劳断口特征.在实验中观察到,在不同的载荷水平下,试件有两种失效模式.在实验结果的基础上,对点焊试件建立有限元模型,分析了焊点附近的弹塑性应力应变.进而分别应用缺口应力法和局部应力应变法预测点焊接头的疲劳寿命,并与实验寿命...     

基于红外热像法的SUS301L-Q235B异种材料点焊接头疲劳强度快速评定

借助高性能红外热像仪对SUS301L-Q235B异种材料点焊接头的SUS301L不锈钢侧熔核及塑性环表面局部热点进行监测，建立了异种材料点焊接头温升斜率与疲劳极限间的定量关系，提出了一种基于温升斜率转折点预测异种材料点焊接头疲劳极限的方法. 结果表明，SUS301L-Q235B异种材料点焊接头向Q235B侧发生了较严重的熔核偏移，导致不锈钢侧承载能力降低；点焊接头在高频循环剪切拉伸作用下，SUS301L不锈钢侧熔核及塑性环表面热点表现出“4个阶段”的温度演化特征；利用红外热像法预测的疲劳极限为5.569 kN，采用传统阶梯法试验获得的疲劳极限为5.875 kN，预测值与试验值之间的误差为5.21%，具有较高的一致性. 所提出的疲劳极限快速预测方法能够克服传统疲劳试验方法的局限性，实现异种材料点焊接头疲劳极限的非接触、非破坏快速预测，具有重要的工程意义和科研价值.     

HFMI处理的钢制焊接接头疲劳评估模型探讨

为评估不同应力比R和材料屈服强度f_y下的高频机械冲击(high frequency mechanical impact,HFMI)处理钢制焊接接头疲劳寿命,引入SWT(smith-watson-topper)模型与Walker模型,利用缺口应力法对广泛的疲劳试验数据进行了重新分析. 结果表明,名义应力系统下,接头疲劳等级FAT,R与f_y三者关系可通过FAT = 0.1f_y + M(R)来表达;缺口应力系统下,对于同种材料不同应力比下的接头,两种模型均能用来评估其疲劳寿命,但Walker模型精度更高;对于不同种材料在不同应力比下的接头,SWT模型形式固定,且能综合考虑R与f_y的影响,基于该模型分析得到的存活率P_S = 97.7%的S-N曲线,其FAT = 325 MPa,斜度m = 6.5.研究成果将直接支撑工程结构疲劳评估和抗疲劳设计.     

2219-T6铝合金FSW接头疲劳寿命预测

通过对2219-T6铝合金搅拌摩擦焊对接接头进行金相观察、疲劳试验和显微硬度测量,对接头的不均匀性和疲劳性能进行分析。结果表明,接头最低硬度和疲劳源基本都在热影响区。基于接头各区的显微硬度、微观形貌及微拉伸试验测试,建立接头的弹塑性有限元模型,并在循环加载下模拟接头的应力和应变分布。利用Smith-Watson-Topper损伤公式和性能薄弱区域的应力、应变数据对焊接接头进行疲劳寿命预测,预测结果与试验结果相比,寿命误差基本在两倍因子之内。     

Al-Mg合金填充式搅拌摩擦点焊性能

为了确定Al-Mg铝合金填充式搅拌摩擦点焊性能,以Al-Mg铝合金中2 mm的5A06为研究对象,对填充式搅拌摩擦点焊接头进行了剪切拉伸、十字形拉伸、显微组织和疲劳性能等测试,并建立了焊点组织区模型.结果表明,接头显微组织可以分为焊核区、热影响区、热力影响区和母材区部分;旋转频率为2000 r/min时,剪切载荷均值7865 MPa,十字形拉伸载荷均值3480 N;通过SEM和OM分析,点焊接头疲劳裂纹均起始于上下板结合面的焊点边缘,该区域的环沟槽、孔洞及包铝层等缺陷和应力集中是造成疲劳破坏的主要原因.     

基于不同S-N曲线的横向十字焊接接头疲劳寿命预测

通过疲劳分析软件MSC.Fatigue自动生成了3种不同S-N曲线,即试验S-N曲线、经验S-N曲线和标准S-N曲线,考虑了残余应力、平均应力、接头外形对焊接疲劳的影响,并按相关规则修正后对碳钢Q235B十字焊接接头进行了疲劳寿命预测,并进行了比较分析.结果表明,基于MSC.Fatigue的S-N曲线法模拟的焊接接头疲劳损伤部位及损伤程度与试验结果一致;试验S-N曲线预测值与标准S-N曲线预测值偏差在7.9%~28%,与经验S-N曲线预测值偏差3.3%~19%,经验S-N曲线预测结果偏高,而标准S-N曲线预测结果相对比较保守.