钢材点焊接头疲劳测试与寿命预测方法研究

摘要

在汽车工业领域，点焊是不可缺少的连接技术。一辆汽车白车身中存在数以千计的点焊接头，它们的强度决定了汽车整体结构在运行时的性能，因此对点焊结构进行耐久性分析，具有非常大的现实意义与经济价值。
　　本论文以4种汽车车身常用的钢材所构成的点焊接头为研究对象，对拉剪和剥离两种最常见的试件类型进行了系统地试验以及理论研究。探讨了母材、焊核直径、板厚以及失效模式等因素对点焊接头疲劳寿命的影响。发现对于本文研究的钢材点焊接头，在本文的试验条件下（R=0.1和R=0.3），载荷比对疲劳寿命影响不大；同时，不同的钢种对疲劳性能影响也不显著。而疲劳寿命则主要与试件类型、试件板厚和焊核直径有关。不同的试件类型具有不同的拉伸及疲劳失效模式。
　　论文介绍并建立了CBAR和ACM两种常见的点焊有限元分析模型，在较粗的网格划分下，得到了关键处的节点载荷值，表征了焊点处受疲劳载荷时的受力状态，并比较了两种模型所得结果的异同。同时在基于有限元分析结果的基础上，计算了本文选取作为疲劳损伤参量的Rupp结构应力值，由此构建了疲劳分析常用的S-N曲线。然而结果表明，基于9个初始经验参数得到的结构应力值并不能减小不同几何尺寸、不同试件类型间疲劳寿命的差别。
　　本文借助他人已公开的点焊接头疲劳实验数据，利用经典的非线性广义简约梯度算法，提出了一种对Rupp结构应力计算式中的经验参数项进行优化的过程，得到了经过优化后的适用于本文研究对象的经验参数值。结果表明，在合理地选择经验参数的情况下，Rupp结构应力值能够有效地关联不同几何尺寸、不同试件结构的接头的疲劳寿命，而且两种点焊有限元模型得到的结果并没有明显差别。同时，利用该方法得到了用以预测寿命的S-N曲线方程，绝大多数实验数据点均落在5倍预测寿命范围之内。这证实了该Rupp结构应力值可以作为疲劳损伤参量用以进行点焊接头的疲劳失效分析，也证实了本文所提出的优化流程对准确计算Rupp结构应力的有效性。

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英文摘要

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1 绪 论

1.1研究目的及意义

1.2点焊接头疲劳影响因素与寿命预测方法研究现状

1.2.1焊点疲劳性能的主要影响因素

1.2.2常见的点焊接头疲劳寿命预测方法

1.3本文研究内容

2 钢材点焊接头拉伸及疲劳性能实验研究

2.1试件介绍

2.2实验器材

2.3拉伸试验结果及分析

2.3.1拉伸试验步骤

2.3.2拉伸试验结果

2.4疲劳试验结果及分析

2.4.1疲劳试验步骤

2.4.2疲劳试验结果

2.5本章小结

3 点焊接头有限元分析模型

3.1 CBAR模型

3.1.1 CBAR模型介绍

3.1.2 CBAR模型建立及计算

3.1.3 CBAR模型计算结果

3.2 ACM模型

3.2.1 ACM模型介绍

3.2.2 ACM模型建立及计算

3.2.3 ACM模型计算结果

3.3本章小结

4 有限元结果分析以及优化

4.1 Rupp结构应力法结果分析

4.1.1 CBAR模型结构应力-寿命分析

4.1.2 ACM模型结构应力-寿命分析

4.1.3小结

4.2非线性广义简约梯度优化算法

4.2.1算法原理

4.2.2问题描述

4.2.3优化步骤

4.3优化后的Rupp结构应力法结果分析

4.3.1 CBAR模型优化结果分析

4.3.2 ACM模型优化结果分析

4.3.3小结

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1论文总结

5.2展望

致谢

参考文献