冷轧奥氏体不锈钢车体材多点焊结构强度和疲劳可靠性的试验研究

摘要

冷轧301L系列板是制造轨道不锈钢轻量车体的主材，随着大批200公里时速动车组轻量化客车投入使用和全国地铁、城铁的扩展，对不锈钢轻量化客车的需求正迅速增加。目前，国产奥氏体不锈钢冷轧板材已经投入使用，但由于缺乏应用领域的基础研究，不锈钢车体设计、制造过程中遇到了很多亟待解决的困难。本文以国产301L-HT板为研究对象，在前期对单点电阻点焊疲劳性能研究的基础上，通过对多点焊结构的拉伸剪切静强度试验和高周疲劳试验、以及在此基础上进行有限元失效模拟分析，研究焊点个数与排布对静强度和疲劳强度的影响，优化多点焊结构和点焊工艺，为车体设计、制造提供可参考基础数据和理论依据。
　　 研究结果表明，多点焊结构断裂静强度与焊点数呈良好的线性关系，焊点的排布对断裂强度几乎没有影响；点焊结构刚度随焊点数的增加而增大，等边三角形排布的结构刚度优于其它排布方式；点焊结构的断裂吸收功随焊点数的增加而增大，其中沿拉伸方向竖直排布的点焊结构断裂吸收攻最大。试件的疲劳断裂模式全部为双面穿板断裂，疲劳裂纹起始于点焊热影响区搭接板内表面，沿板厚方向向外表面扩展；点焊结构99.9％存活率的疲劳极限与焊点个数基本呈线性倍数关系，而50％存活率的疲劳极限对于单点、双点、四点呈线性关系，等边三角形排布的三点焊结构载荷分布不均匀，疲劳极限较低、与双点接近。
　　 利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对多点焊结构的拉伸剪切实验进行动力学分析模拟，结果表明在多点焊结构的部分焊接接头存在严重的应力集中，从而导致点焊接头的强度最低，是疲劳裂纹萌生和扩展的位置；有限元分析结果与疲劳试验和断裂分析结果证明单点、双点、四点焊结构的焊点排布较为合理，有利于均匀分布载荷，抗疲劳性优于等边三角形焊点排布。证明用有限元分析软件对点焊结构进行失效模拟的可行性，甚至可以部分替代剪切拉伸试验。

目录

文摘

英文文摘

致谢

序

1 绪论

1.1 选题背景和研究目的

1.2 不锈钢客车的发展概况

1.1.1 国内外不锈钢客车的发展

1.2.2 不锈钢车体的结构特征

1.2.3 不锈钢车体的焊接特点

1.3 电阻点焊结构的疲劳强度

1.3.1 电阻点焊技术的发展与应用

1.3.2 电阻点焊结构的缺口效应

1.3.3 电阻点焊结构的静拉伸断裂

1.3.4 电阻点焊结构的疲劳断裂

1.3.5 影响电阻点焊结构疲劳强度的因素

1.4 多点焊结构强度及影响因素

1.5 电阻点焊的有限元分析软件

1.5.1 ANSYS/LS-DYNA介绍

1.5.2 ANSYS/LS-DYNA的应用领域

1.5.3 ANSYS/LS-DYNA的材料模型和单元库

1.6 论文主要研究内容

2 实验材料和方法

2.1 实验板材的成分与性能

2.1.1 实验材料

2.2 点焊试件的设计与制备

2.2.1 多点焊试样结构尺寸的设计

2.2.2 多点焊试样点焊工艺参数的选择

3 不锈钢车体板材多点焊结构的静态力学性能

3.1 实验条件

3.2 试验结果分析

3.2.1 多点焊结构的拉伸剪切变形行为

3.2.2 多点焊结构静强度与焊点数的关系

3.2.3 焊点排布对多点焊结构静强度的影响

3.2.4 焊点数和焊点排布对多点焊结构断裂吸收功的影响

3.3 拉伸剪切断裂分析

3.3.1 多点焊试样断裂模式和应力分析

3.3.2 点焊试样截面断口分析

3.3.3 点焊试样扫描电镜宏观分析

3.3.4 点焊试样扫描电镜微观分析

3.4 点焊接头硬度分析

3.5 本章小结

4 不锈钢车体板材多点焊结构的疲劳可靠性

4.1 引言

4.2 多点焊疲劳试验的特点与方法

4.2.1 多点焊疲劳试验的特点

4.1.2 多点焊疲劳试验的方法

4.2 多点焊结构的高周疲劳极限

4.2.1 单点试样疲劳极限

4.2.2 双点试样疲劳极限

4.2.3 三点试样疲劳极限

4.2.3 四点试样疲劳极限

4.3 疲劳强度和焊点个数的关系

4.4 多点焊试样疲劳断裂失效分析

4.4.1 疲劳裂纹萌生扩展的力学分析

4.4.2 疲劳裂纹的萌生扩展机理

4.5 本章小结

5 多点焊试样拉伸剪切有限元模拟

5.1 引言

5.2 电阻点焊有限元模拟的原理

5.2.1 点焊连接关系的模拟

5.2.2 刚性梁点焊模型焊接力的计算

5.2.3 刚性梁点焊模型的失效模式

5.3 电阻点焊的有限元建模

5.3.1 模型材料的定义

5.3.2 点焊模型前处理的参数设定

5.4 多点焊有限元结果分析

5.4.1 单点点焊试样有限元结果分析

5.4.2 双点点焊试样有限元结果分析

5.4.3 三点点焊试样有限元结果分析

5.4.4 四点点焊试样有限元结果分析

5.5 小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.1.1 关于多点焊试样的拉伸剪切静强度

6.1.2 关于多点焊试样的高周疲劳试验

6.1.3 关于多点焊试样有限元拉伸剪切失效模拟

6.2 展望

参考文献

作者简历

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