焊縫建模參數對其疲勞壽命的影響研究

盛守增,張二江,王俊

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

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焊縫建模參數對其疲勞壽命的影響研究

盛守增1,2,張二江1,2,王俊1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

摘要：針對汽車懸架系統中常見的焊接結構，采用CAE技術對其焊縫的耐久性進行分析。為了考察焊縫模型各參數對焊縫疲勞壽命的影響，在前處理軟件中建立不同焊縫單元傾角及厚度模型，并在nCode軟件中計算焊縫部位的疲勞損傷。通過對比分析，建立各參數與疲勞損傷的相關性，為模擬焊縫結構的有效性提供參考。

關鍵詞：焊縫參數；疲勞壽命；nCode軟件

0引言

焊接結構是汽車懸架系統中常見的結構形式，在交變載荷的循環作用下焊接結構的薄弱部位是焊縫位置[1]，主要受焊接工藝、焊接殘余應力、幾何變形及承載方式等多種因素的影響，這些參數很難在CAE軟件中真實模擬，通常是以實驗方式進行驗證。目前，廣泛采用的名義應力法[2]對焊接結構進行耐久性模擬時需要判斷焊接接頭的細節類別、質量等級數據等，但在實際應用中，由于焊接局部結構、焊接部位材料變化因素，很難選擇合適的壽命曲線，不能有效預估焊接部位疲勞壽命。為此，借助英國nCode國際公司開發的一套完整的、經過工程檢驗的、能為焊縫疲勞壽命預估提供較為準確結果的疲勞分析軟件為載體，對汽車懸架系統中焊縫疲勞進行耐久性分析。

nCode軟件對焊縫疲勞模型有特殊的要求，但在實際焊縫建模過程中，由于實際焊接結構的特殊性，許多焊縫模型不能達到規定的要求，為了保證焊縫疲勞分析結果的有效性，需要對焊縫各參數對疲勞壽命結果的影響做相關性分析，以保證焊縫建模的快速性及疲勞分析結果的有效性。

1焊縫疲勞計算原理

1.1常見焊縫類型

在汽車懸架系統中，常見的焊縫類型主要為角焊縫和搭接焊縫，角焊縫的簡化模型如圖1所示。由于實際焊接結構件焊接位置的特殊性，焊縫單元傾角在前處理軟件中建模時會隨著焊接件結構的變化發生改變，其厚度也會隨著焊接件厚度的更改而變化，因此，需要研究焊縫單元傾角及其厚度變化對疲勞壽命的影響關系。

1.2疲勞曲線的選取

根據BS7608標準，強度在700 MPa以下的結構鋼其焊接接頭將表現出相似的疲勞行為[3]，因此nCode軟件中提供2條焊縫S-N曲線[4]，如圖2所示。當進行疲勞計算時，從焊趾或焊根單元節點上提取應力狀態，通過計算彎曲比R來判斷該節點是屬于“剛性”狀態還是處于“柔性”狀態，不同的彎曲比需要調用不同的S-N曲線(或通過插值獲得)，以此進行疲勞損傷和壽命計算。

軟件中焊縫S-N曲線的插值方程：

SRI1int=(1-ε)·SRI1stiff+ε·SRI1flex

(1)

Nc1int=10((1-ε)·log10Nc1stiff+ε·log10Nc1flexi)

(2)

S1int=(1-ε)·S1stiff+ε·S1flexi

(3)

1.3焊縫疲勞分析過程

首先計算單位力載荷下焊縫模型的應力狀態，然后借助載荷歷程曲線得到應力歷程曲線，并對應力歷程進行雨流計數，根據彎曲比調用相應的焊縫S-N曲線，最后依據Miner疲勞損傷累積法則計算焊縫的疲勞壽命。其計算公式：

(4)

式中：Di為第i通道載荷下產生的損傷；ni為第i通道載荷的循環數；Ni,f為第i通道載荷對應的疲勞極限次數。

2各參數對焊縫疲勞影響關系

2.1焊縫模型及其載荷

為了研究焊縫單元各參數變化對其疲勞壽命的影響，在前處理軟件中建立角焊縫模型，其約束關系和施力點如圖3所示。

由于焊縫在實際工作過程中承受多向交變載荷，故在施力點添加某真實運行工況下6通道的交變載荷，如圖4所示。

2.2焊縫單元傾角的影響

為了考察焊縫單元傾角對其疲勞損傷的影響關系，分別建立焊縫傾角為30°、45°和60°的模型，并在nCode軟件中進行焊縫疲勞計算，其結果如圖5所示。

從圖5可以看出：焊縫單元傾角的變化并沒有改變焊縫疲勞壽命的整體趨勢，壽命最小位置位于焊縫的端部。為了考察傾角變化與焊趾和焊根處疲勞損傷的影響關系，對此處單元的疲勞壽命數據進行對比處理，對比結果如圖6所示。

從圖6可以看出：整體上焊趾和焊根處疲勞壽命隨著傾角的增大而減小，但在焊縫端部可能出現相反的趨勢；搭接焊縫對單元傾角變化的敏感性較小；疲勞壽命較低部位隨焊縫傾角變化數值相差不大。因此在焊縫疲勞分析時，焊縫模擬的傾角值可在45°范圍內小幅度變化，可以保證建模的高效性，尤其是彎管梁等特殊位置的焊縫模擬。

2.3焊縫單元厚度的影響

為了考察焊縫單元厚度對其疲勞損傷的影響關系(單元傾角為45°)，建立角焊縫單元厚度分別為1.5、1.75、2.0 mm模型，并在nCode軟件中進行焊縫疲勞計算，其結果如圖7所示。

從圖7可以看出：焊縫單元厚度變化并沒有改變焊縫疲勞壽命的整體趨勢，壽命最小位置仍位于焊縫的端部。為考察厚度變化與焊趾和焊根疲勞處損傷的影響關系，對此處單元的疲勞壽命數據進行對比處理，對比結果如圖8所示。

從圖8可以看出：整體上焊趾和焊根處疲勞壽命隨著厚度的增大而增大，但在焊縫端部可能出現相反的趨勢；角焊縫對單元厚度變化的敏感性均較小，疲勞壽命隨焊縫厚度變化數值變化不大。因此在焊縫疲勞分析時，焊縫模擬的厚度值可在小范圍內變化，可以保證建模的高效性，尤其是在設計階段焊接結構件厚度頻繁發生更改的情況。

3結束語

采用nCode軟件計算焊縫疲勞壽命時，焊縫模擬單元2個參數(傾角和厚度)在小范圍內變化時，對焊縫疲勞壽命影響很小，因此在開發設計階段，尤其是焊接結構件厚度發生更改時，可以快速預估焊縫的疲勞壽命。

通過焊縫疲勞預估，既可以給出所有焊縫整體的壽命分布，又可以判斷出焊縫薄弱位置，為設計改進及焊接工序提供有價值的參考信息，以保證焊接的可靠性。

參考文獻:

【1】靳慧,周奇才,張其林.焊接結構系統的疲勞可靠性分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2005,33(11):1428-1432.

【2】周張義,李芾,卜繼玲.基于名義應力的焊接結構疲勞強度評定方法研究[J].內燃機車，2007(7):1-4.

【3】朱濤,高峰,張步良,等.汽車結構中焊縫疲勞壽命預估[J].汽車技術，2006(10):37-40.

【4】nCode9.0-Designlife Theory Guide[M],2013.

Influence of Welding Bead Model Parameters on Its Fatigue Life

SHENG Shouzeng1,2,ZHANG Erjiang1,2, WANG Jun1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei,Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Welding bead parameters; Fatigue life; nCode software

Abstract:For the common welding structure in the automobile suspension system, CAE technology was used to analyze the durability of the welding bead. In order to inspect the relationship between the various model parameters of the welding bead and the weld fatigue life, the welding models with different angle and thickness were established in the former processing software, and the nCode software was used to calculate the fatigue damage. Through comparison and analysis, the correlation of the parameters with respect to the fatigue life was established, which could provide reference for the simulation validity of the welding structure.

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：盛守增,男，本科，助理工程師，從事車輛耐久性能仿真工作。E-mail:shouzengshebg@qq.com。

中圖分類號:U467.4+97

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)05-038-04