拉剪点焊件疲劳强度分析与寿命预测

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本文对汽车用点焊结构拉剪试件进行了动态响应试验和疲劳试验,测量疲劳试验过程中固有频率的数据变化。根据固有频率随循环数的变化规律,选择适于研究疲劳损伤的固有频率阶数,探索了基于固有频率、疲劳试验加载载荷谱来计算疲劳寿命的方法。单点点焊结构通常设计为主要承受剪切载荷,但实际中也会经历相当大的拉伸载荷。本文对拉伸和剪切载荷组合作用下的点焊试件进行了弹塑性有限元分析,描述其应力应变场的状态,同时根据分析结果,应用不同损伤参量,预测疲劳寿命,比较结果并分析裂纹可能的萌生位置。 首先,对拉剪点焊试件进行疲劳试验,不同寿命阶段同时进行动态响应试验,得到试件疲劳损伤过程中各阶模态固有频率的变化数据。将试件焊点部分沿长度方向从中间剖开,观察焊核部分的微观区域构成;测量焊核及附近区域硬度变化,分析各区域材料性能变化规律;基于宏观和微观的失效和断口分析,确定裂纹萌生位置、扩展机理。 其次,结合模态固有频率,疲劳加载载荷历程,根据疲劳损伤演化规律,探索了疲劳寿命预测方法,并用恒幅、变幅、随机载荷历程试验数据进行了验证,结果处于可接受范围内。 然后,建立有限元模型,对拉伸和剪切组合作用下的点焊试件进行弹塑性有限元模拟。根据不同加载方向施加约束和载荷,设置加载过程。有限元结果表明:不同加载方向,危险位置有所不同,但应力集中区域都在焊核附近,并非处于焊核根部,这与拉剪点焊试件试验结果观察到的断裂情形相似。 最后,基于有限元分析结果,应用不同损伤参量、选取焊核附近不同位置进行寿命预测。修正以Mises等效应变为损伤参量的符号,获得完整、标准迟滞回线,寿命计算结果显示,30°、90°加载下,距离焊核边缘分别为0.4mm、0.25mm时,结果分布于两倍误差因子线以内。由于焊核附近处于多轴应力状态,尝试了应用多轴疲劳理论预测寿命,SWT模型计算结果较好,并对其它方法进行了比较分析。
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