焊缝建模参数对其疲劳寿命的影响研究

盛守增,张二江,王俊

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)



焊缝建模参数对其疲劳寿命的影响研究

盛守增1,2,张二江1,2,王俊1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

摘要：针对汽车悬架系统中常见的焊接结构，采用CAE技术对其焊缝的耐久性进行分析。为了考察焊缝模型各参数对焊缝疲劳寿命的影响，在前处理软件中建立不同焊缝单元倾角及厚度模型，并在nCode软件中计算焊缝部位的疲劳损伤。通过对比分析，建立各参数与疲劳损伤的相关性，为模拟焊缝结构的有效性提供参考。

关键词：焊缝参数；疲劳寿命；nCode软件

0引言

焊接结构是汽车悬架系统中常见的结构形式，在交变载荷的循环作用下焊接结构的薄弱部位是焊缝位置[1]，主要受焊接工艺、焊接残余应力、几何变形及承载方式等多种因素的影响，这些参数很难在CAE软件中真实模拟，通常是以实验方式进行验证。目前，广泛采用的名义应力法[2]对焊接结构进行耐久性模拟时需要判断焊接接头的细节类别、质量等级数据等，但在实际应用中，由于焊接局部结构、焊接部位材料变化因素，很难选择合适的寿命曲线，不能有效预估焊接部位疲劳寿命。为此，借助英国nCode国际公司开发的一套完整的、经过工程检验的、能为焊缝疲劳寿命预估提供较为准确结果的疲劳分析软件为载体，对汽车悬架系统中焊缝疲劳进行耐久性分析。

nCode软件对焊缝疲劳模型有特殊的要求，但在实际焊缝建模过程中，由于实际焊接结构的特殊性，许多焊缝模型不能达到规定的要求，为了保证焊缝疲劳分析结果的有效性，需要对焊缝各参数对疲劳寿命结果的影响做相关性分析，以保证焊缝建模的快速性及疲劳分析结果的有效性。

1焊缝疲劳计算原理

1.1常见焊缝类型

在汽车悬架系统中，常见的焊缝类型主要为角焊缝和搭接焊缝，角焊缝的简化模型如图1所示。由于实际焊接结构件焊接位置的特殊性，焊缝单元倾角在前处理软件中建模时会随着焊接件结构的变化发生改变，其厚度也会随着焊接件厚度的更改而变化，因此，需要研究焊缝单元倾角及其厚度变化对疲劳寿命的影响关系。

1.2疲劳曲线的选取

根据BS7608标准，强度在700 MPa以下的结构钢其焊接接头将表现出相似的疲劳行为[3]，因此nCode软件中提供2条焊缝S-N曲线[4]，如图2所示。当进行疲劳计算时，从焊趾或焊根单元节点上提取应力状态，通过计算弯曲比R来判断该节点是属于“刚性”状态还是处于“柔性”状态，不同的弯曲比需要调用不同的S-N曲线(或通过插值获得)，以此进行疲劳损伤和寿命计算。

软件中焊缝S-N曲线的插值方程：

SRI1int=(1-ε)·SRI1stiff+ε·SRI1flex

(1)

Nc1int=10((1-ε)·log10Nc1stiff+ε·log10Nc1flexi)

(2)

S1int=(1-ε)·S1stiff+ε·S1flexi

(3)

1.3焊缝疲劳分析过程

首先计算单位力载荷下焊缝模型的应力状态，然后借助载荷历程曲线得到应力历程曲线，并对应力历程进行雨流计数，根据弯曲比调用相应的焊缝S-N曲线，最后依据Miner疲劳损伤累积法则计算焊缝的疲劳寿命。其计算公式：

(4)

式中：Di为第i通道载荷下产生的损伤；ni为第i通道载荷的循环数；Ni,f为第i通道载荷对应的疲劳极限次数。

2各参数对焊缝疲劳影响关系

2.1焊缝模型及其载荷

为了研究焊缝单元各参数变化对其疲劳寿命的影响，在前处理软件中建立角焊缝模型，其约束关系和施力点如图3所示。

由于焊缝在实际工作过程中承受多向交变载荷，故在施力点添加某真实运行工况下6通道的交变载荷，如图4所示。

2.2焊缝单元倾角的影响

为了考察焊缝单元倾角对其疲劳损伤的影响关系，分别建立焊缝倾角为30°、45°和60°的模型，并在nCode软件中进行焊缝疲劳计算，其结果如图5所示。

从图5可以看出：焊缝单元倾角的变化并没有改变焊缝疲劳寿命的整体趋势，寿命最小位置位于焊缝的端部。为了考察倾角变化与焊趾和焊根处疲劳损伤的影响关系，对此处单元的疲劳寿命数据进行对比处理，对比结果如图6所示。

从图6可以看出：整体上焊趾和焊根处疲劳寿命随着倾角的增大而减小，但在焊缝端部可能出现相反的趋势；搭接焊缝对单元倾角变化的敏感性较小；疲劳寿命较低部位随焊缝倾角变化数值相差不大。因此在焊缝疲劳分析时，焊缝模拟的倾角值可在45°范围内小幅度变化，可以保证建模的高效性，尤其是弯管梁等特殊位置的焊缝模拟。

2.3焊缝单元厚度的影响

为了考察焊缝单元厚度对其疲劳损伤的影响关系(单元倾角为45°)，建立角焊缝单元厚度分别为1.5、1.75、2.0 mm模型，并在nCode软件中进行焊缝疲劳计算，其结果如图7所示。

从图7可以看出：焊缝单元厚度变化并没有改变焊缝疲劳寿命的整体趋势，寿命最小位置仍位于焊缝的端部。为考察厚度变化与焊趾和焊根疲劳处损伤的影响关系，对此处单元的疲劳寿命数据进行对比处理，对比结果如图8所示。

从图8可以看出：整体上焊趾和焊根处疲劳寿命随着厚度的增大而增大，但在焊缝端部可能出现相反的趋势；角焊缝对单元厚度变化的敏感性均较小，疲劳寿命随焊缝厚度变化数值变化不大。因此在焊缝疲劳分析时，焊缝模拟的厚度值可在小范围内变化，可以保证建模的高效性，尤其是在设计阶段焊接结构件厚度频繁发生更改的情况。

3结束语

采用nCode软件计算焊缝疲劳寿命时，焊缝模拟单元2个参数(倾角和厚度)在小范围内变化时，对焊缝疲劳寿命影响很小，因此在开发设计阶段，尤其是焊接结构件厚度发生更改时，可以快速预估焊缝的疲劳寿命。

通过焊缝疲劳预估，既可以给出所有焊缝整体的寿命分布，又可以判断出焊缝薄弱位置，为设计改进及焊接工序提供有价值的参考信息，以保证焊接的可靠性。

参考文献:

【1】靳慧,周奇才,张其林.焊接结构系统的疲劳可靠性分析[J].同济大学学报：自然科学版，2005,33(11):1428-1432.

【2】周张义,李芾,卜继玲.基于名义应力的焊接结构疲劳强度评定方法研究[J].内燃机车，2007(7):1-4.

【3】朱涛,高峰,张步良,等.汽车结构中焊缝疲劳寿命预估[J].汽车技术，2006(10):37-40.

【4】nCode9.0-Designlife Theory Guide[M],2013.

Influence of Welding Bead Model Parameters on Its Fatigue Life

SHENG Shouzeng1,2,ZHANG Erjiang1,2, WANG Jun1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei,Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:Welding bead parameters; Fatigue life; nCode software

Abstract:For the common welding structure in the automobile suspension system, CAE technology was used to analyze the durability of the welding bead. In order to inspect the relationship between the various model parameters of the welding bead and the weld fatigue life, the welding models with different angle and thickness were established in the former processing software, and the nCode software was used to calculate the fatigue damage. Through comparison and analysis, the correlation of the parameters with respect to the fatigue life was established, which could provide reference for the simulation validity of the welding structure.

收稿日期：2015-12-28

作者简介：盛守增,男，本科，助理工程师，从事车辆耐久性能仿真工作。E-mail:shouzengshebg@qq.com。

中图分类号:U467.4+97

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)05-038-04