铝合金点焊拉剪接头疲劳性能及寿命分析

研究了铝合金AA5754点焊拉剪接头的疲劳性能,获得了不同厚度试件的载荷寿命曲线。研究了铝合金焊点的疲劳失效模式,讨论了焊点疲劳裂纹的扩展形式,并测量了裂纹扩展路径与点焊熔核界面之间的角度。分析了点焊拉剪试件在同时承受I型和II型载荷时,疲劳裂纹的扩展方向,并与测量值进行了比较。利用疲劳破坏后沿铝板厚度方向的实际裂纹长度修正了裂纹尖端的局部应力强度因子,提出了评价焊点寿命的疲劳参量K(i),并对试验数据进行了分析比较。结果证明K(i)可以有效关联试件尺寸效应和焊点疲劳寿命,能够用于预测焊点疲劳寿命。     

多点焊拉剪搭接接头构件的最佳焊点间距研究

通过研究多点焊搭接构件的静强度与疲劳强度，探讨了焊点间距对强度的影响，并且用弹性力学模型分析了板中焊点附近的应力状态，与实验结果能较好地对应。     

点焊搭接接头中的应力分布及接头疲劳行为研究

基于实际点焊接头硬度分布的分析,建立了包括熔核,热影响区和母材的单点点焊搭接接头计算模型。用三维弹塑性有限元分析方法,全面分析了点焊搭接头的应力分布情况。分析结果表明：接头搭接区内表面上焊点边缘处的应力集中是接头高周疲劳裂纹起裂和扩展的决定因素。焊点边缘附近区域中的存在的高应力,导致高周疲劳裂纹由强度较低的母材起裂并扩展。     

异壁厚点焊箱形截面薄壁梁的局部翘曲和扭转刚度分析

针对在汽车车体结构中广泛使用的、具有不同壁厚（也即异壁厚）的单帽和双帽对口型点焊箱形截面薄壁构件进行一系列的研究.当点焊薄壁构件受到转矩作用时,把转矩在焊点处用置换剪力与置换力偶矩进行替换,然后对异壁厚构件的局部翘曲和扭转刚度特性进行详细研究分析.当对口型点焊薄壁构件为异壁厚时,为得到具有一定扭转刚度的点焊构件,其焊点间隔和板材厚度的选择范围比相同壁厚时具有较大的提高;当质量保持不变而只改变板材厚度时,可以得到不同扭转刚度的板材厚度最大值组合,它会随着翼缘板材的位置而变化.这些结论在实际工程中可以根据不同要求有选择地加以利用.     

双帽箱型点焊薄壁构件的局部翘曲分析

针对汽车上广泛使用的箱型点焊薄壁构件，研究在考虑焊点处的弹性特性基础上，对箱型点焊薄壁构件受扭矩时焊点处的局部翘曲变形进行分析研究，提出一种计算局部变形的近似方法。把扭矩转换成通过焊点的剪力，此剪力又由置换剪力和置换力偶矩代替，然后计算相应的局部翘曲。计算结果与运用平面薄板理论的平面应力问题和平面弯曲问题的弹性力学解之间具有较好的对应关系和精度。     

考虑修正平均等效应力强度因子的焊点缺陷疲劳寿命研究

提出了一种基于超声回波的焊点缺陷疲劳寿命预测评价方法。该方法采用模糊数学理论，基于超声回波特征获得损伤系数，然后综合考虑法向应力、剪切应力和初始缺陷的影响，将焊点缺陷在裂纹扩展路径上的修正平均等效应力强度因子作为疲劳评价的参量。通过对DP600GI材料的合格焊点、焊核过小焊点和烧穿焊点的接头进行疲劳试验，比较不同缺陷对焊接疲劳寿命的影响，得到一条修正平均等效应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为含初始缺陷的焊点疲劳寿命预测曲线，研究结果表明，该曲线能有效预测含初始缺陷的点焊接头的疲劳寿命。该方法有助于合理设计电阻点焊的缺陷容限。     

一种基于平均应力强度因子的焊点疲劳寿命预测方法

传统的焊点疲劳仿真分析方法主要有基于力的LBF方法和基于应力的LMS方法,针对这两种方法所存在的预测精度不高、建模和计算效率偏低等问题,提出一种新的焊点疲劳寿命预测方法,该方法从断裂力学的角度考虑焊点的疲劳失效,采用一种模块化焊点模型,通过有限元提取焊点周围各节点的节点力和力矩,进而推算出焊点裂纹在板厚扩展路径上的平均应力强度因子作为疲劳寿命的评价参量。通过对HSLA340GI和DP600GI两种高强钢材料、4种不同厚度的电阻点焊接头进行剪切疲劳试验,将该平均应力强度因子与试验所得的焊点疲劳寿命数据进行双对数回归分析,得到一条平均应力强度因子与疲劳寿命的拟合曲线作为焊点的疲劳寿命预测曲线,并与传统的LBF和LMS方法进行预测精度的对比分析,结果表明本文的焊点疲劳寿命预测方法的预测精度高于传统的LBF和LMS方法。     

胶焊接头的三维弹塑性应力分析

采用三维弹塑性有限元方法,数值分析了胶焊搭接接头的应力分布,并与点焊接头、胶接接头的应力分布情况相比较。结果表明,胶焊接头搭接区中应力分布均匀,其焊点内部不存在点焊接头焊点中所具有的高应力,消除了点焊接头中焊点边缘处的应力集中。胶焊接头的应力分布特征与胶接接头十分相似。由应力分析预测的接头强度与已有的试验结果一致。     

焊接残余应力对高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳性能的影响

点焊接头因高度应力集中,极易于熔核边缘萌生疲劳裂纹,点焊产生的残余应力会影响其扩展。为探究点焊残余应力对疲劳裂纹扩展的影响规律,建立DP600高强钢点焊接头三维裂纹有限元仿真模型。基于热-弹塑性理论求解点焊残余应力场,在此基础上计算有无残余应力时折线裂纹的局部应力强度因子(Stress Intensity Factor, SIF)解,通过分析两种条件下裂纹最深点局部SIF随裂纹深度比变化的曲线,研究点焊残余应力对折线裂纹扩展的影响规律;基于断裂力学理论,采用改进的双参数模型预测有无残余应力时的疲劳寿命。结果表明,点焊残余应力使局部SIF显著提高,且随着裂纹深度比的增加,残余应力对其的影响程度也增加;考虑残余应力后裂纹整体扩展趋势不变但扩展速率显著增加,疲劳寿命由35 616次下降至12 564次。     

SUS304不锈钢点焊接头疲劳寿命研究

为了准确预测工程机械上SUS304不锈钢点焊接头的疲劳寿命，提出了一种用于焊点寿命预测的S-N曲线。根据常见的几种点焊接头的结构形式，制备了不同板厚组合的拉剪疲劳试件，通过疲劳试验获取了试件的疲劳寿命数据。利用CT扫描实验获取了准确的焊核直径，建立了试件的有限元模型，并通过光学应变测量试验验证了该模型的准确性。然后，基于Rupp等效结构应力法和疲劳试验数据建立了综合不同板厚组合和载荷比的结构应力-寿命曲线(S-N曲线),并使用Goodman修正法消除了载荷比的影响。最后，建立了振动输送机有限元模型，并进行瞬态动力学分析获取了振槽焊点的结构应力，基于建立的S-N曲线预测了焊点寿命。结果显示，振槽各焊点接头无疲劳问题，存在焊点冗余情况，可以做轻量化设计。     

运行条件对不锈钢点焊疲劳性能影响及开裂分析

以不锈钢车体底架电阻点焊接头为对象,研究了温度（-40℃、室温和70 ℃）、应力比（0.1、0.5）以及3.5%NaCl腐蚀介质对接头疲劳寿命的影响;借助电子背散射衍射（EBSD）技术、扫描电镜（SEM）、仪表球压痕系统(IBIS)和拉伸剪切试验,对晶粒取向、残余应力分布、疲劳断口形貌和力学性能进行分析。结果表明：低温条件下材料强度的提高可获得更好的疲劳性能,70 ℃条件下塑性性能的改善可使高周疲劳性能更优;应力比为0.1时的疲劳性能优于应力比为0.5时的疲劳性能;腐蚀介质和拉应力促使应力腐蚀开裂和裂纹尖端的阳极区快速溶解,加速裂纹的萌生和扩展,显著缩短了点焊接头的疲劳寿命;疲劳裂纹在界面应力集中尖角处形核,沿熔核软化区长大,逐渐向表面扩张,直至断裂失效。     

基于扩展有限元模型的动态应力强度因子计算

为准确计算基于扩展有限元法（XFEM）的裂纹扩展模型中的应力强度因子,在ABAQUS软件中建立中心裂纹平板和三点弯曲的XFEM模型,采用相互作用积分法,通过用户子程序接口分别实现了Ⅰ型、Ⅱ型断裂模式下裂纹扩展过程中应力强度因子的计算;研究了网格密度与积分半径对XFEM模型应力强度因子计算精度的影响规律,研究结果表明：当网格密度因子为0.012~0.016、相对积分半径为3时,应力强度因子收敛至稳定值,计算误差不超过3%。利用所提方法与程序计算了单边带孔疲劳裂纹扩展试样的动态应力强度因子,试验结果表明：基于Paris理论预测的剩余寿命与疲劳试验结果误差为5.3%,进一步验证了所提方法与程序的正确性。     

残余应力对对焊接头疲劳性能的影响

利用线弹性断裂力学（ＬＥＦＭ）理论、迭加原理和有限元分析方法,就残余应力对对焊接头的疲劳性能的影响进行了理论分析。采用有限板中边界裂纹及中心穿透裂纹的Ｂｕｅｃｋｎｅｒ及Ｋａｎａｚａｗａ权函数,计算对应对焊接头中的各种残余应力分布的残余应力强度因子。建立了考虑不同残余应力水平影响的表面裂纹疲劳模型,估算对焊接头疲劳寿命及疲劳强度,并与试验数据进行比较验证。     

Fatigue Resistance and Failure Behavior of Penetration and Non-Penetration Laser Welded Lap Joints

Penetration and non-penetration lap laser welding is the joining method for assembling side facade panels of railway passenger cars,while their fatigue performances and the difference between them are not completely understood.In this study,the fatigue resistance and failure behavior of penetration 1.5+0.8-P and non-penetration 0.8+1.5-N laser welded lap joints prepared with 0.8 mm and 1.5 mm cold-rolled 301L plates were investigated.The weld beads showed a solidification microstructure of primary ferrite with good thermal cracking resistance,and their hardness was lower than that of the plates.The 1.5+0.8-P joint exhibited better fatigue resistance to low stress amplitudes,whereas the 0.8+1.5-N joint showed greater resistance to high stress amplitudes.The failure modes of 0.8+1.5-N and 1.5+0.8-P joints were 1.5 mm and 0.8 mm lower lap plate fracture,respectively,and the primary cracks were initiated at welding fusion lines on the lap surface.There were long plastic ribs on the penetration plate fracture,but not on the non-penetration plate fracture.The fatigue resistance stresses in the crack initiation area of the penetration and non-penetration plates calculated based on the mean fatigue limits are 408 MPa and 326 MPa,respectively,which can be used as reference stress for the fatigue design of the laser welded structures.The main reason for the difference in fatigue performance between the two laser welded joints was that the asymmetrical heating in the non-penetration plate thickness resulted in higher residual stress near the welding fusion line.     

压弯组合应力下高强钢焊接板表面裂纹疲劳寿命计算

潜艇上浮下潜运动使得其耐压壳承受交变的外压载荷。潜艇耐压壳的疲劳热点为锥一柱过渡结构连接焊缝焊趾处，该处所受的应力特征为压弯组合应力。压弯组合应力下表面裂纹应力强度因子及其疲劳寿命的计算尚无报道。弄清楚压弯组合应力作用下带表面裂纹焊接板试件的疲劳特性对潜艇等结构的疲劳研究是必要的。文中提出用成一定角度的对接焊板试件和轴向加载获得压弯组合应力来模拟潜艇耐压壳锥一柱焊接结合区的应力特征的实验方法。用980高强钢作试件，研究焊趾处预制表面裂缝，并在压弯组合应力为特征的疲劳载荷作用下表面裂纹的疲劳行为。给出高强钢焊趾表面裂纹在压弯组合应力下应力强度因子及其疲劳寿命计算式。该结果可供海洋平台、压力容器及管道的某些受力特征为压弯组合应力的重要结构的疲劳设计时参考。     

随焊冲击旋转挤压控制LD10薄板件焊接变形和热裂纹的研究

LD10铝合金薄板在焊接过程中易产生焊接热裂纹,焊后薄板件易产生较大的焊接变形。采用冲击旋转挤压头对焊缝及相邻区域施加一定频率的冲击旋转挤压作用,使焊缝及近缝区产生塑性延展;对LD10常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件的焊接残余变形与焊接残余应力进行测量,对比分析了常规焊接件和随焊冲击旋转挤压件的拉伸试验、维氏硬度、断口分析和金相组织,明确了随焊冲击旋转挤压工艺对焊接件组织及性能的影响。试验结果表明,随焊冲击旋转挤压处理后,工件的残余应力被降低到较低水平,随焊冲击旋转挤压工艺起到控制焊接残余应力和变形的作用,并且抑制了焊接热裂纹的产生。     

应变硬化对冷轧301L不锈钢点焊接头疲劳强度的影响

将应变硬化程度不同、厚度均为1.5 mm的国产和进口301L不锈钢冷轧板采用相同的焊接工艺分别制成标准电阻点焊试样,进行了疲劳试验和微观结构分析.结果表明:应变硬化程度较高的国产板点焊试样疲劳极限低于应变硬化程度较低的进口板点焊试样;国产板点焊试样焊点边缘产生了折叠变形,该部位同时存在再结晶组织和应变硬化组织,所以不但有结构应力集中而且出现了组织性能不均匀所造成的应力集中,折叠变形和应力集中是造成疲劳极限降低的主要原因.     

Numerical studies on crack growth in a steel tubular T-joint

The results of a numerical investigation on fatigue crack growth of an offshore tubular T-joint under the action of axial, in-plane and out-of-plane bending loads are presented in this paper. Extensive stress analysis has been carried out to determine the location of the hot spot stress along the brace—chord intersection for each load case. Semi-elliptical cracks with varying crack lengths and crack depths were introduced at the hot spot location by means of line spring elements for stress intensity factor evaluation. The line springs were properly constrained to prevent the problem of crack surface penetration. The stress intensity factors obtained are then used in a crack growth law for life estimation.