焊接中厚板模态分析与试验研究

张系斌,李 军,王哲平

(长江大学城市建设学院,湖北荆州434023)

焊接残余应力是近年来较为热门的课题,很多学者对有焊接残余应力的板架的本构关系进行了深入的研究,但是中厚板焊接残余应力对动力特性的影响的研究还亟待分析和讨论。模态分析用于确定结构或机器部件的振动特性,即结构的固有频率、振型和阻尼比[1],它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数,同时也可以作为其他动力学分析问题的依据。为此,笔者通过对3种不同厚度板在有焊接残余应力和无焊接残余应力的情况下分别做出模态分析,得到焊接中厚板前8阶固有频率,研究不同厚度的焊接板中残余应力对动力特性的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验设备及材料

采用北京东方振动和噪声技术研究所DASP V10智能数据采集和信号处理分析软件。试验构件共有中厚板12块,分为3组,每组中厚板尺寸相同,且每组中有1块无焊接板来进行试验对比。试验材料尺寸和数量如表1所示。材料性质为Q345B的钢板,具有良好的机械性能、可焊性和加工工艺性。钢板力学性能:抗拉强度σb 490～665MPa;屈服强度σs≥325MPa;伸长率δ5≥21%;冲击度20。制作试验构件焊接工艺是采用焊接热源模型为高斯热源,焊接方式为CO2气保护焊,坡口角度为45°,分4道焊,具体焊接参数如下:焊接电流为170～550A;焊接速度v=5mm/s;焊丝为直径4mm的H 10Mn2焊丝。试验构件的模型简图如图1所示,试件模型节点划分图如图2所示。

表1 试验材料尺寸和数量

图1 对接焊缝几何模型简图

图2 模型节点划分图

1.2 试验设计

该试验采用柔软的橡胶绳把板材试件悬挂起来,使板材试件处于一种近似的 “自由状态”[2],力锤采用刚性锤头,加速度传感器安装在试件底部中间的位置。每块板划分25个网格,36个节点,采用橡胶绳把板材试件悬挂起来,对节点进行逐一敲击采集数据。试验方案示意图如图3所示。

2 模态分析

试验模态分析主要分3个步骤:①通过模态试验FFT自谱分析得到频率响应函数。②通过频率响应函数模态拟合进而确定模态阶数。在响应输入和响应输出可以测得的情况下,即可得到频响函数[3]。③在已知频响函数在各阶模态比较分散的情况下,采用模态拟合中的频域法,在频域模拟分析中,根据频响函数曲线的峰值点,确定模态阶数。进而求得固有频率和模态振型等模态参数,并通过模态参数的变化对试验板材的固有频率进行分析对比。

图3 试验方案示意图

3 试验结果与分析

3.1 试验测得的频响函数

固有频率是通过模态试验得到的模态参数,是通过试验能够得到的较为准确的参数之一,也是获取其他参数的基础。为了得到准确的固有频率,拟把各个节点频率响应函数综合起来考虑,通过曲线拟合方法得到一个综合频率响应函数,最后对该函数进行分析得到板材试件不同模态阶段的固有频率。以其中一块板为示例,其频响函数显示图如图4所示。

图4 频响函数显示图

从图4可以看出,产生共振的频率是基本固定的,即激励输入点的不同,共振频率不发生变化。因而试验结果符合理论假设,可以确定试验方案可行。在得出频响函数后,必须进行定阶,通过软件对频响函数进行平均或叠加,然后人工选取产生了共振的频率点作为模态结果。

3.2 不等厚板固有频率对比

由于固有频率较高的模态,产生共振的可能性不大,而且对外界干扰比较敏感,因而仅选择前8阶模态进行对比分析。悬挂系统试验中厚板模态频率值如表2所示。

表2 悬挂系统试验中厚板模态频率值

通过表2可以看出,残余应力[4]对中厚板固有频率影响不大;在焊接残余应力作用下,中厚板的固有频率有所提高,随着板厚的增加板材的固有频率增大;在相同阶数情况下,随着板厚的增加,焊接残余应力对板材的固有频率影响率减小。

图5 中厚板前4阶模态振型

3.3 中厚板前4阶模态振型

通过DASP V10软件数据采集和信号处理分析,计算模拟焊接中厚板前4阶试验振型图如图5所示。

从图5可以看出,由于中厚板在焊接处焊缝材质差异和焊接残余应力的作用,前4阶模态振型图没有明显突变,而且与有限元计算振型吻合良好。因此,通过该试验无法检测到中厚板焊接对其振型的影响。

3.4 不等厚度中厚板固有频率

3种尺寸规格中厚板所测得固有频率试验数据如图6所示。

通过图6可知,3组不同试验厚度板材中的模态频率基本一致;随着中厚板的厚度的增加,板件自振频率随之增加;随着中厚板厚度的增加,残余应力对中厚板固有频率影响减弱。

图6 中厚板与焊接板频率对比分析图

3.5 不等厚度中厚板阻尼比

通过试验得到3种不同厚度的对比板与焊接中厚板阻尼比分析图如图7所示。

从图7可以看出,同规格焊接中厚板的阻尼比明显大于对比板的阻尼比,且前4阶的阻尼比作用较明显 (焊接中厚板阻尼比较对比板明显增大)。

图7 3种不同厚度对比板与焊接中厚板阻尼比分析图

[1]Xiao Yang yang,Takuro Amano,Yutak a.Application of modal analysis by transfer function to nondestructive testing of wood II:modulus of elasticity evaluation of sectionsof differing quality in a wooden beam by the curvature of the flexural vibration wave[J].Journal of Wood Science,2003,49(5):140-144.

[2]李德葆,陆秋海.实验模态分析及其应用[M].北京:科学出版社,2001.

[3]张子明,杜成斌,周星德.结构动力学[M].北京:清华大学出版社,2008.

[4]佘昌莲.焊接结构的残余应力研究 [D].武汉:武汉理工大学,2006