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基于RxMS方法的某副车架焊缝疲劳预测 |
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作者：王二兵 周鋐 |
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焊接连接作为现代钢结构中最主要的连接方式，在汽车工业中得到了广泛应用。由于焊接过程以及焊接连接的本身特点，焊缝区金属与母材的力学性能不匹配，在焊接接头部位容易产生裂纹或其它缺陷，从而使得焊接接头的疲劳强度往往低于被焊接母材的疲劳强度。另外，焊接一般会发生在结构的几何特征或断面变化的区域，同时焊接结构的焊缝中往往存在着咬边、未焊透等焊接缺陷以及焊接施工误差引起的错位，这些都会使焊缝部位产生应力集中。在交变载荷作用下，疲劳裂纹有可能在焊接结构的焊缝附近萌生，一旦裂纹扩展到临界尺寸，就会发生疲劳破坏事故。
据资料统计，在焊接结构的失效中，有70％－90％是由于焊接接头的疲劳断裂造成的，对该结构的疲劳性能评估的重点即是对焊接接头的耐久性能的评估。而焊接结构的耐久性很大程度上是由焊缝的疲劳强度所决定的，因而可以看出系统而深入地研究焊缝疲劳理论，对于正确认识焊接金属的疲劳本质，准确预测焊接结构的疲劳寿命，防止破坏事故的发生有着重大的理论意义和使用价值。
1 RxMS方法简介
对焊缝而言，需权衡数值耗费和精确度的得失：精确的数值方法使用涉及焊接连接方式的实体单元建模，其中需要考虑焊缝的几何形状。就计算和准备时间而言这种方法成本太高，所以实际中一般不用。而许多快速的方法却忽略了焊缝连接的局部形状，因而往往得到偏于保守的结果。
如图1所示，RxMS方法是对焊缝处模型单元进行细化处理，将焊缝和基体材料连接的焊趾和焊根位置的缺口半径R设为xmm，并考虑焊缝几何形状的多样性和焊接材料属性（即应力-寿命曲线）的分散性。其数值（有限元）模型在设计阶段考虑了“名义”焊缝形状。相应的RxMS应力-寿命曲线考虑了由几何形状和材料变化引起的均值（名义值Mean）和离散带（Scatter）的变化。该方法最初由Radaj, Koettgen, Olivier和Seeger提出。那时，主要考虑的是厚度在8～40mm之间用于工业工程中的薄板。焊缝模型在焊缝和基体材料交叉口取缺口半径R（xmm），最初x取为1mm，被称作R1MS。
图1 RxMS模型
2 副车架焊缝疲劳预测
要进行副车架焊缝疲劳预测，首先要对副车架焊缝进行建模，然后获取其边界载荷，接下来就可以用RxMS方法对其进行疲劳预测了。
2.1 副车架焊缝建模
副车架存在较多的焊缝结构,如图2所示。焊缝宽度大多数都在3-4mm左右，由于焊缝尺寸较大，有可能对周围的应力环境产生影响，因此要对有限元模型做进一步的分组细化处理。针对焊缝具体的结构特性创建新的单元组，将其有限元模型划分为8个不同的组，在两个组之间定义焊缝单元，如图3所示。 
图3 副车架焊接总成结构分组
结合具体的焊缝几何形状，将位于各子部件交线两侧的单元组成焊缝单元组，并在软件库中查找合适的焊缝类型进行焊缝替换，其焊缝的角度可以根据检测两组单元间的夹角，在焊缝库中使用相近的进行替代；然后在焊接手册中查找对应于不同焊接结构的材料特性，并赋予焊缝单元组。建好的副车架焊缝有限元模型如图4所示。 
图4 副车架焊缝
2.2 副车架模型边界载荷的获取
在进行副车架焊缝疲劳计算之前我们还需要先得到副车架的边界载荷以及其单位边界加载后副车架的响应情况。在直接通过试验方法难以获得副车架的边界载荷的情况下，我们可以借助于建立整车系统刚－柔耦合虚拟试验模型（如图5所示）的动力学仿真计算过程，来获得其边界载荷条件。图6是副车架某连接点的力信号图。
图5模型驱动信号加载
图6 副车架某连接点力信号
2.3 副车架焊缝疲劳寿命预测
通过比较副车架的焊缝结构，查阅手册即可得到焊缝的疲劳属性曲线，如图7所示。 
图7 焊缝材料的应力-寿命曲线
实际计算过程中，各焊缝的角度随着实际的相接的两母板的实际夹角选择焊缝库中相近的焊缝类型和焊缝角度进行替换。计算得到的副车架焊缝的疲劳损伤分布如图8所示。 
图8 副车架焊缝结构损伤分布云图
3 副车架焊缝疲劳结果分析与验证
在得到损伤云图的基础上，进一步对“热点”进行计算，得到的带有“热点”的云图如图9所示。
图9 副车架焊缝结构损伤热点
由图中可见损伤较大的位置主要集中在副车架的前部横臂中部焊接接头端部位置和副车架拐角处，每条焊缝的损伤最大处都在焊缝的两端端部位置，这与实际相符，由于较长的焊缝中部应力比较均匀，在端部由于尺寸变化较大，残余应力较大，因此应力集中现象多出现于端部。
在该副车架试验中有几处焊缝发生失效的情况产生，如图10、11、12所示。据此，我们对这些焊缝区域来做进一步的比对分析。 
图10 失效焊缝所处位置
图11 焊缝疲劳位置对比
4 副车架焊缝夹角角度的影响研究
由于实际汽车部件的形状不规则，会有弧度过度等非规则变形，导致实际焊缝的焊接角度是变化的，下面研究不同的角度对焊缝疲劳仿真结果的影响。根据实际情况，选取副车架上比较典型的有角度的焊缝进行分析，具体位置如图13所示，焊缝为T型焊缝。
图13 副车架典型焊缝位置
如图14所示，为同一焊缝不同焊接角度的疲劳损伤云图。其中图中（1）为焊缝焊接角度根据实际两母材之间的相对角度分段设置时的损伤云图，图中（2）（3）（4）（5）为将焊缝角度分别设置为30°、45°、60°、90°时的损伤云图。由损伤云图可以看出，焊缝的疲劳损伤主要发生在焊缝的端部，这主要是由于端部存在应力集中。而且端部的最大损伤随着角度的不同差异较大，其中根据两母材的相对角度进行分段设置角度更能反映实际，其计算结果应该最接近实际情况，30°的角度与实际最接近，可见该焊缝的实际角度在30°附近。
因而焊缝的焊接角度是影响焊缝疲劳损伤的重要因素，为了得到比较精确的损伤结果，应根据实际情况，在焊缝角度的设置中最好根据不同的母材相对角度分段设置，两母材的实际相对角度在模型中能够较容易获取。
5 结论
综上所述，我们通过RxMS法对副车架的焊缝进行了疲劳寿命预估，预估结果与试验结果有较高的一致性，说明RxMS法是一种较好的焊缝分析方法。同时，我们对焊缝夹角对疲劳分析结果的影响做了进一步的研究。结果表明，在焊缝模型中选择正确焊缝夹角对疲劳分析结果有重要的影响。我们需要根据实际情况选择一个与实际情况比较接近的角度。如果对结果要求的精度较高或在沿焊缝其焊接角度的变化比较大的情况下，则需要根据其实际中不同的焊接角度对焊缝进行分段建模，从而使分析结果与实际情况相符。 (end)
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(6/6/2009) |
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