PAT318 - MSC.Fatigue

S20-1PAT318, Section 20, March 2005

第20章

焊接结构的疲劳



焊接对耐久性的影响

母板熔化区热影响区

焊脚

管的缝焊,呈现晶粒组织


一些注释

因为下面的原因,焊接结构的疲劳特性完全不同于它们的母板:

相当陡变和难控制的几何特性

缺陷如:渣孔

残余应力(通常是未知的)

热影响区

就一些钢结构的焊接疲劳特性而言同它们的母板相比变化还算小


一些注释

焊接通常在截面上和几何特性变化一致的

焊接结构的疲劳强度通常小于母板本身

即使好的设计的焊接结构,

焊接通常是最容易失效的部位

S-N Data Plot

classF

SRI1: 1.201E4 b1: -0.3333 b2: -0.2 E: 2.07E5 UTS: 500

BS4360-50D

SRI1: 1903 b1: -0.123 b2: 0 E: 1.914E5 UTS: 480

1E1

1E2

1E3

Stre

ss

R

an

ge

(M

Pa

)

1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8

Life (Cycles)


点焊疲劳


大约50％的汽车结构的疲劳问题跟焊点相关

大约80％的汽车车身疲劳问题和焊点相关

在汽车生产线上产生一个焊点需要的费用大概是30000美金

最新的累计结果大概是这个数字的两倍

除去结构上的影响外，对产品质量焊点也有很大影响

焊点分析动机


当前实况当前汽车工业面临缩短开发时间的压力越来越明显减少原型意味着越来

越需要更多的CAE.

没有通用的工具来预测焊点的寿命

焊点的数量，位置，尺寸由下面情况决定 :

部件工程师，基于平板应力（焊点有时候甚至没有考虑）和经验

生产工程师，基于可行性和经济性


结构应力基于的方法

粗糙网格就可以，焊点用刚性梁模拟

梁单元用力获得焊点传递的力和矩

力和矩用来计算结构应力

寿命用Miner原理来计算

该方法也可以用于处理多轴加载

焊点焊块

梁单元

( Rupp - Storzel - Grubisic )


汽车焊接部件


支撑塔的有限元模型


焊点如何建模?

5步

优化与试验

载荷(时间历程)

材料(焊接S-N 数据)

几何(梁单元)

疲劳分析(点焊分析器)

后处理


减震器处载荷历程


结构应力的计算

通过每个梁单元的力和矩来计算结构应力 :

板 2焊块

板 1

Fz

Mx

Fx

Fy

My

My

Fy

Fx

Mx

Fz

Fz

Mx

Fx

Fy

My


举例说明:在板上的应力 :

在焊块有相似的应力

修正模型考虑尺寸效应

Fz

Mx

My

Fy

Fx

s

d

结构应力的计算

sp

r

x yF

ds,max

,=

s rzF

s= 1744

2.

s r

x yM

ds,max

,.= 1872

2


疲劳特性 – 典型试件


疲劳特性 – 通常的S-N曲线


损伤计算步骤应力和损伤在焊点周围10个间隔处计算

应力历程从下面公式计算 :

ss

( ) ( )tPP tk

kk=

这里: k = 静力载荷工况或者来自有限元计算的瞬态结果

寿命计算使用线性损伤累计原理 (米勒原理)


确定 S-N 曲线

试件测试包括H-shear (图示),

H-peel, hat-profile 等.

试件一定要合适的,用来确定结构应力,用于生成S-N曲线

对于板失效,S-N 数据落在一个单一发散带

焊块失效很少发生

3 板焊接被处理为2板焊接,忽略中板失效

S-N Data Plot

spot_nugget_generic

SRI1: 2100 b1: -0.1667 b2: -0.09091 E: 2.1E5 UTS: 500

spot_sheet_generic

SRI1: 2900 b1: -0.1667 b2: -0.09091 E: 2.1E5 UTS: 500

1E2

1E3

1E4

Stre

ss

R

an

ge

(M

Pa

)

1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8

Life (Cycles)


材料特性对焊接的影响

Spot weld Load-Life curves

• 不同级别的钢焊接结构,

生成的S-N曲线趋向世落在一个单一点发散带

• 因此普通曲线对很多问题适合


FE - Model

nugget

sheet metal

R = 0

Fz

Mx

My

Fx

FyF(t), M(t)

Analytical model

s(q,t)

焊接结构的寿命预测

dx(t)

MBS

model

Damage calculation

Post-processing


用 CWELD建立焊点模型

• 不协调的网格

• 模型刚度偏低Model stiffness is a little too low

• 需要用同一个模型进行耐久性和NVH分析等.

• 方法对于高载荷不是很好的情况(塑性比较显著的时候)


用 CWELD建立焊点模型

焊点也可以用下面的单元模拟:

MSC.Nastran CWELD 单元

HEX 单元用MPC方程连接

这两种方法都是可以提高刚度而在边缘不需要协调网格


结果后处理

列表显示结果文件,寿命,损伤,裂纹位置等

绘制 (Insight)

损伤极坐标图


冲击塔寿命分布图


损伤极坐标图


实例:一个焊点分析

执行焊点分析.

在冲击塔处多载荷输入


求解参数设置


材料信息设置


载荷信息设置



缝焊疲劳分析


Volvo/Chalmers/nCode 方法

适用于薄板汽车结构(1-2mm板厚)

基于焊脚处的结构应力

简单壳单元划分方法

在焊接处区分刚柔


焊缝出建模

E(i)

E(j)

s

s

sheet B

sheet A

tB

t A

effective throat, a

• 板和焊材主要是用4节点壳单元建模

• 板用一般面描述• 焊料单元厚度等于焊喉或者2倍板厚

• 单元长度约5mm

• 小的倒角忽略


损伤参数 (应力) 定义

损伤参数是主应力在焊脚也就是基于焊脚单元的.

使用MSC.Nastran 计算修改bdf文件,

添加 STRESS,CUBIC 选项

PARAM, SNORM, 55

应力不平均

应力取决于焊脚单元节点的位移和转动


确定S-N曲线

•测试形状的样件

•FE模型要输出应力

•结果落在两条线上,这个跟焊条本身特性有关


柔性和刚性焊接

柔性

•弯曲应力r比基于上面应力计算•柔性焊接在焊脚处弯曲占主导,有较高的r

•S-N 曲线基于r 来选择•刚性焊接有较低的疲劳强度

rs

b

sb sn+-------------------------- 0 r 1 = = =

刚性


求解参数设置


材料信息设置


缝焊疲劳结果


初结果是正

预测一个真实部件,有2或者3倍安全系数

结果是保守的

总结


练习

做快速开始手册的11章练习,焊接

第一部分 1: 11.1节到 11.5节目,是做焊点疲劳分析

第二部分: 11.9 节到11.12节, 是做缝焊分析

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