基于角焊縫缺口系數(shù)數(shù)據(jù)庫建立及應(yīng)用

施斌

摘 要：文章結(jié)合Neuber提出的虛擬缺口半徑理論，利用Radaj焊接結(jié)構(gòu)的缺口應(yīng)力疲勞分析方法，針對某公司30%焊透率的T型焊縫建立了滿足自身要求的焊縫缺口應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)據(jù)庫。通過路試采集的道路譜進(jìn)行整車多體動力學(xué)載荷分解，得到焊縫疲勞分析的拖曳臂硬點載荷輸入，并結(jié)合疲勞分析軟件Femfat為焊縫的評估提供了一套有效的分析方法。結(jié)果表明，新建的焊縫數(shù)據(jù)庫有效的預(yù)測了焊縫失效，并在路試中得到了驗證，為項目開發(fā)的前期產(chǎn)品改進(jìn)提供理論依據(jù)，能夠有效節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：角焊縫；缺口應(yīng)力集中系數(shù)；疲勞損傷；有限元分析

中圖分類號：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0001-05

Abstract： Based on the virtual notch radius theory proposed by Neuber and using the notch stress fatigue analysis method of Radaj welding structure， a database of notch stress concentration factor of a certain company with 30% penetration rate is established. According to the road spectrum collected by road test， the multi-body dynamic load decomposition of the whole vehicle is carried out， and the hard-point load input of the towed arm of weld fatigue analysis is obtained. Using the fatigue analysis software Femfat， a set of effective analysis method is provided for the weld seam evaluation. The results show that the new weld database can effectively predict the weld failure and be verified in the road test. It can provide the theoretical basis for the early product improvement of the project development， effectively save the development cost and shorten the development period.

Keywords： fillet weld； notch stress concentration factor； fatigue damage； finite element analysis

1 概述

焊縫的焊趾焊根處的缺口容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，這是造成焊縫開裂的一個重要原因，如果能準(zhǔn)確預(yù)測焊縫的疲勞性能將會對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。焊趾焊根的缺口應(yīng)力集中系數(shù)是焊縫疲勞分析的關(guān)鍵參數(shù)，較為真實的反映了焊縫缺口處的應(yīng)力狀態(tài)。由于焊縫結(jié)構(gòu)多樣及載荷的復(fù)雜性，用試驗的方式得到焊縫缺口系數(shù)難度較大，采用有限元方法建立針對自身焊透率的焊縫缺口應(yīng)力模型是得到焊縫缺口系數(shù)的較為理想的方法。

FEMFAT是一款成熟的疲勞分析軟件，集成了Neuber及Radaj的焊縫缺口分析理論[1]，本文針對某公司自身30%焊透率的T型焊縫標(biāo)準(zhǔn)，對FEMFAT焊縫缺口數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了擴(kuò)展， 并針對某款車型路試中采集的道路信號進(jìn)行多體動力學(xué)虛擬迭代，得到各硬點載荷并進(jìn)行懸架疲勞分析，有效解決了拖曳臂的焊縫開裂問題[2-4]。

2 T型焊縫特征

圖1為T型焊縫斷面示意圖，T型焊縫屬于典型的角焊縫類型，即沿兩直交零件的交線焊接，焊接接頭由焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材組成。焊縫表面與母材的交界處為焊趾區(qū)域，焊縫背面與母材的交界處為焊根區(qū)域。t1，t2為母材厚度，d為熔深，焊透率η為焊件的焊透程度，以熔深與母材厚度的百分比表示。本文采用某公司底盤零部件30%焊透率的T型焊縫，即d與t2的比值為30%。

在外部載荷作用下，接頭表面的應(yīng)力分布有所差異，圖2為T型焊縫應(yīng)力分布示意圖，遠(yuǎn)離焊縫的名義應(yīng)力區(qū)域受焊縫缺口的影響較小，越是靠近焊接接頭應(yīng)力越大，焊趾焊根處的缺口應(yīng)力集中效應(yīng)最為明顯，其較高的缺口應(yīng)力是焊縫失效的主要原因。

焊縫的開裂主要是由垂直于焊縫方向的正應(yīng)力σ⊥引起的，該正應(yīng)力通常來源于焊縫周圍鈑金件所承受的拉伸（F）及彎曲（M）載荷，切應(yīng)力στ對焊縫開裂的貢獻(xiàn)量較小。

3 T型焊縫數(shù)據(jù)庫的建立

3.1 焊縫缺口尺寸的確定

焊縫缺口應(yīng)力集中系數(shù)是確定缺口真實應(yīng)力的關(guān)鍵，由于焊縫形式多種多樣且結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，直接獲得缺口應(yīng)力集中系數(shù)難度較大，通過有限元方法建立參數(shù)化的焊縫模型是解決這一問題的有效方法。

如何定義焊縫缺口的尺寸，如圖3所示，Neuber提出了一個簡單有效的方法：焊趾和焊根可以看作是不同角度（如135°和0°）的V形缺口，焊縫的缺口應(yīng)力分析可以建立在V形缺口應(yīng)力場基礎(chǔ)上，缺口角度α和缺口半徑ρ具有任意性[5-6]。

3.2 缺口應(yīng)力集中系數(shù)

對于動態(tài)載荷下低承載能力的焊縫來講，焊縫缺口處的應(yīng)力評估非常重要。Radaj法是確定焊縫缺口影響的一種常用方法[7]，通過有限元計算得到不同焊縫類型焊根、焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)，為進(jìn)一步計算焊縫疲勞提供理論依據(jù)。FEMFAT焊縫數(shù)據(jù)庫中沒有焊透率為30%的T型焊缺口參數(shù)，本文意在通過Radaj法得到30%T型焊缺口參數(shù)，用于焊縫疲勞強(qiáng)度的預(yù)測。

垂直于焊縫方向的正應(yīng)力對焊縫的影響較大，為了得到這種應(yīng)力狀態(tài)下的焊縫應(yīng)力集中系數(shù)，對焊縫截面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，采用平面應(yīng)力單元（默認(rèn)單元厚度為1mm），焊根、焊趾處的半徑ρf為1m，鈑金厚度為10mm。有限元求解器采用ABAQUS?？紤]到焊縫在實際過程中受到拉壓、彎曲等影響，對焊縫模型確定了三種加載方式，如圖4中的拉伸載荷1、彎曲載荷2、拉伸或彎曲載荷3（3'），載荷3（3'）是考慮焊接件載荷傳遞的影響。各載荷大小根據(jù)焊接件的截面尺寸而定，目的是使焊縫名義應(yīng)力區(qū)域為1Mpa，這樣焊根、焊趾處的最大應(yīng)力可以作為應(yīng)力集中系數(shù)保存在焊縫數(shù)據(jù)庫中。

根據(jù)材料力學(xué)梁的拉伸（1）及彎曲（2）正應(yīng)力計算公式可以反推出載荷大小，如圖5所示。則拉力F為10N，彎矩M為16.67N.mm。

σF=F/（b*h）=1Mpa （1）

σM=M/（b*h2/6）=1Mpa （2）

當(dāng)拉伸、彎曲載荷大小確定后，需要考慮盡可能多的約束加載方式，并從中選取最終形式，選取原則為使得當(dāng)前約束加載方式下對應(yīng)的焊趾、焊根缺口系數(shù)最大[8-9]。

如圖6所示，Toe為焊趾，Root為焊根，E1，E2，E3為焊趾焊根處的三個評估單元，新建焊縫數(shù)據(jù)庫中包含了以下缺口系數(shù)：Toe（E1），Toe（E3），Root（E2，E3）。E1用于評估焊趾Toe（E1），E2用于評估焊根Root（E2），E3用于評估焊趾Toe（E3）及焊根Root（E3）。為了得到上述參數(shù)，對細(xì)化的焊縫模型進(jìn)行計算，選取較為保守的四種約束加載方式（所求缺口系數(shù)最大），如圖7所示。圖8為應(yīng)力結(jié)果云圖。記錄各焊趾焊根的缺口系數(shù)β1、β2、β3，如表1所示，并擴(kuò)展到Femfat焊縫數(shù)據(jù)庫中。

3.3 真實缺口應(yīng)力

在動態(tài)載荷作用下，焊接部件的承載能力明顯降低，因此焊縫區(qū)域的應(yīng)力評估非常重要。許多標(biāo)準(zhǔn)提供了焊縫的評估方法，這些方法是根據(jù)焊縫類型和應(yīng)力，給焊接接頭分配評估級別。本文采用BS 7608標(biāo)準(zhǔn)對焊縫進(jìn)行評估[10]。

得到焊根、焊趾缺口系數(shù)后，可以計算結(jié)構(gòu)在時域信號下任意時刻的焊縫真實缺口應(yīng)力。以焊趾Toe（E1）為例，如圖8所示，名義應(yīng)力區(qū)域評估單元E1在任意時刻下垂直于焊縫方向的正應(yīng)力可以由拉伸及彎曲載荷下的兩個正應(yīng)力分量組成（？滓T為拉伸正應(yīng)力，？滓B，Top及？滓B，Bot為鈑金上下表面的彎曲正應(yīng)力）。

4 工程運(yùn)用

本文中的車型針對強(qiáng)化路試規(guī)范，采集了試驗場路面信息，并通過多體動力學(xué)虛擬迭代，分解出用于疲勞分析的相關(guān)硬點載荷[11]。

該車型后懸架為多連桿類型，對左右拖曳臂單獨進(jìn)行分析，在滿足精度的前提下可以提高計算效率。單側(cè)模型的硬點數(shù)為7個，一共42個通道。應(yīng)用慣性釋放計算各個通道單位載荷下的應(yīng)力分布，結(jié)合新建焊縫數(shù)據(jù)庫及疲勞分析軟件Femfat計算出強(qiáng)化路面下的疲勞損傷分布。

計算結(jié)果顯示，損傷最大位置位于制動器安裝板端部的三角加強(qiáng)板T型焊縫處，如圖9，損傷值大小為1.2，超過目標(biāo)值1，與路試中此處發(fā)生開裂相吻合，有效地預(yù)測了焊縫存在的失效風(fēng)險，如圖10，減振器軸向阻尼力造成了該處焊縫的拉伸撕裂。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)某公司自身焊縫標(biāo)準(zhǔn)建立了30%焊透率的T型焊縫數(shù)據(jù)庫，并對疲勞分析軟件Femfat焊縫數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了擴(kuò)充，利用Neuber及Radaj的焊縫缺口分析理論，有效的應(yīng)用于工程實踐中，具有以下優(yōu)點：

（1）根據(jù)用戶自身需求，實現(xiàn)了更多類型的焊縫數(shù)據(jù)庫拓展，為焊縫的疲勞分析提供了理論參數(shù)。

（2）利用Neuber提出的虛擬缺口理論及Radaj缺口系數(shù)有限元分析法得到焊縫的焊根、焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)合道路譜得到焊縫局部真實應(yīng)力歷程，為焊縫的評估提供了一種有效的方法。

（3）新增焊縫數(shù)據(jù)庫能有效預(yù)測焊縫的失效，為項目前期的產(chǎn)品改進(jìn)提供理論依據(jù)，能有效節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]Radaj D， Sonsino C.M， Fricke W. Fatigue assessment of welded joints by local approaches [M]. Woodhead Publishing and Maney Publishing， Cambridge，2006.

[2]李運(yùn)超.基于整車虛擬試驗場的后懸架疲勞分析[D].同濟(jì)大學(xué)，2009：25-38.

[3]胡玉梅，陶麗芳，鄧兆祥，等.車身臺架疲勞強(qiáng)度試驗方案研究[J].汽車工程，2006，28（3）：301-303.

[4]黃鵬程，柳楊，陳偉.副車架疲勞臺架試驗的有限元模擬[J].計算機(jī)輔助工程，2006，15（S1）：193-194.

[5]Radaj D， Lazzarin P， Berto F. Generalized Neuber concept of fictitious notch rounding [J]. International Journal of Fatigue，2013，51：105-115.

[6]Radaj D， Sonsino C.M， Fricke W. Recent developments in local concepts of fatigue assessment of welded joints [J]. International Journal of Fatigue， 2009，31：2-11.

[7]Radaj D， Lazzarin P， Berto F. Fatigue assessment of welded joints under slit-parallel loading based on strain energy density or notch rounding [J]. International Journal of Fatigue， 2009，31：1490-1504.

[8]Radaj D， Berto F， Lazzarin P. Local fatigue strength parameters for welded joints based on strain energy density with inclusion of small-size notches[M]. Engineering Fracture Mechanics， 2009，76：1109-1130.

[9]Radaj D， Sonsino C.M， Fricke W. Recent developments in local concepts of fatigue assessment of welded joints [J]. International Journal of Fatigue， 2009，31：2-1.

[10]H. Dannbauer， C. Gaier， K. Hofwimmer"Fatigue Analysis of Welding Seams and Spot Joints in Automotive Structures"， SAE 2005-01-1323.

[11]朱明武，李永新，卜雄洙.測試信號處理與分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：169-220.