车身结构中焊点疲劳寿命预估.pdf

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万方数据·材料·工艺·设备·车身结构中焊点疲劳寿命预估朱涛高峰刘国良(北京航空航天大学)【摘要】采用焊点疲劳寿命预估方法，通过有限元分析并结合应力计算，即可计算出实际载荷工况下的焊点疲劳损伤。采用该方法对某轿车B柱结构焊点的寿命进行了预估，得出了各焊点的损伤和寿命分布情况，并预测出发生失效的部位为B柱与上横梁相交处，预测结果与实际发生的损坏部位一致。主题词：车身点焊疲劳寿命计算，中图分类号：U461．91文献标识码：A文章编号：1000—3703(2006)02—0037—03Pre-EstimationofFatigueLifetimeofWeldingSpotsofBIWsZhuTao，GaoFeng，LiuGuoliang(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronutics)【Abstract]Withtheweldingspotfatiguelifetimepre—estimationmethod，bycombinationofthefiniteelementanaly·sisandstresscalculation，theweldingspotfatiguedamageunderactualloadcanbecalculated．Withthismethod，lifetimeofweldingspotsoftheB-pillarofacarwaspre-estimated，anddamageofdifferentweldingspotsandlifetimedistributionwereobtained，anditwaspredictedthatfailurewilloccuratintersectionoftheB-pillarandtheuppercross-member．Thepredicatedresultisconformabletothatofactualdamage．Keywords：Body，Weldingspot，Fatiguelifetime，Calculation1前言点焊作为一种高效的连接方式广泛应用于汽车零部件和整车的制造过程中，在很大程度上促进了现代工业的发展。但由于焊接的特性，经大量试验表明，与母材相比，焊接连接会大大降低整个结构的抗疲劳破坏的性能，这使得通过点焊连接的结构在工作期间常常在焊接处发生失效破坏，进而造成事故的发生。而且进行点焊连接的设备和工艺较复杂，加工成本很高¨1。所以，如果能在设计的初期通过计算对焊点的疲劳寿命进行预测，了解整个结构上焊点的分布情况，就可以对实际工艺中焊点的个数、处理方式进行合理的调整，以提高产品的疲劳性能，并降低制造成本。此计算和分析具有工程实际意义。针对汽车某部件的点焊连接，通过一套以完整的、经过工程检验的理论为基础的分析程序，对其焊点的疲劳寿命进行了详细计算和分析。2焊点疲劳寿命计算2．1焊点疲劳寿命计算原理由于焊接形式的多样性，且对于不同加载工况下载荷参数的不易确定性，对焊接疲劳强度的研究2006年第2期方法也各有不同。Radaj和Sheppard21通过研究指出，在不同结构和不同载荷形式下的焊点疲劳耐久性，可以通过对焊点周围板上局部应力进行数值计算分析的方法来方便地评估。Ruppc31等人则描述了如何计算这些结构应力，并基于最大、最小应力和一个载荷谱对焊点进行疲劳寿命计算。本文应用的计算程序与Rupp等人的工作成果相似，不同的是结构应力通过有限元方法计算，并进一步把静态、瞬态、模态结果也应用到焊点疲劳寿命计算中。对于有限元模型，要求用垂直于两连接板的剐性梁单元来模拟焊点，而两连接板用位于板中面的壳单元来模拟，如图1所示。经梁单元传递的力和力矩被用来计算焊核和连接板周围的结构应力，依此通过S一Ⅳ法预测焊点的疲劳寿命。其中梁单元的直径即为实际的焊核直径，梁单元附近的壳单元网格无需特殊细化，保证梁单元的足够连接刚度即可。经验表明，焊点周围的壳单元尺寸为焊核直径的两倍以上时能满足要求。2．2计算结构应力图2所示为典型的点焊连接件。通过有限元方法来计算结构应力时，模拟焊核的刚性梁单元长度为0．5(s。+s：)，其中s。和s：分别为板l和板2的厚一37— 万方数据·材料·工艺·设备·度，点1和点2分别为梁单元在两层壳单元上的端点，点3为焊核中心线与两板连接面的交点。所有的力和力矩按图2坐标系对应计算。图1焊点有限元模型示意I}j—————·-YX——。0、心2＼＼!／点一一一＼≮。，一+—鬟蘩囊辩一．⋯j卜-一一一一一，—誊嚣融，一*一·|板2板ll到2典型点焊连接件从计算所得的数据结果文件中分别提取点1、点2、点3的力E、E、E和弯矩魍、眠、必，依此来计算板1和板2内表面以及焊核与两板交接点处的结构应力(沿焊核圆周方向每10。取一个点来计算)。点1和点2上的力和弯矩是焊核作用到板上的，而点3上的力和力矩为上层板作用于下层板的。上述结构应力计算如下：对于点1，板内表面上的等效应力盯。，为焊核沿周向方位角0的函数H】，即(jr。l=一Or。。(FI)cos0一or。。、(F】)sin0+D。(E1)+or。。，(Mxl)sin0一or。。(魍1)cos0(1)式中，盯⋯(玛)=喾≈，d为焊核直径；盯。。。(％)=：}；／】．744E，、当E-．>0时，or(日)《。l一}；K--0．6、／s。，作为对lSI7弯曲应力梯度效应的补偿；当只。≤0时，or(E。)=0。这样，只有焊核轴向力中的拉伸分量对损伤有贡献，且f1．872Mxl1f1．872M,l1Orm。。(mxl)=KIl——尹j；盯m。。(甄。)=Klf——■丁一}。、邯．fas．点2的结构应力计算与点1类似。点3的结构应力计算用绝对最大主应力作为损伤参量，这样可使计算简单化：q---q-。。、(Fx3)sin20+丁⋯(民)cos20(2)or=or(E3)+盯。。。(尬3)sin0一Or。。(My3)cosO(3)式¨⋯(如)=器‰(吩)=器；当Fz3>0—38一时，Or(E．3)=各；当巧≤o时‘，Or(E，)=0。‰胍，)=学“％)=警面内的主应力可以从焊核中的剪应力和正应力求得：厂————丁—一Orl,3=手±：＼／(手)∥(4)式(4)中应力绝对值最大的主应力将作为损伤参量。2．3材料性能该计算除需要分别对应于焊核和连接板在循环特性R=0时的S一Ⅳ曲线，还需要考虑平均应力敏感度系数和标准差参量，这些Js一Ⅳ曲线与母材的S一Ⅳ曲线完全不同，是典型的点焊ks一Ⅳ曲线，用公式表示为：AS=SRll(Nz)。(5)式中，SRll为应力范围截距；b。为材料常数。对于每一个循环，平均应力S。可按式(6)进行修正，即R=0时的等效应力幅度JS。为：So=错磐(6)式中，肼为平均应力敏感因子。2．4焊点损伤计算在焊核和连接板处的结构应力按上述公式计算得出后，结合焊核和母材的材料特性，通过准静态方法或模态叠加法对每个计算点的有效应力历程进行计算，然后用雨流循环计数，再根据Miner损伤累积法进行疲劳损伤的计算E53：∑DF∑惫／>1(7)式中，D；为每级载荷下产生的损伤；心为每级载荷的循环次数；M．，为每级载荷对应的疲劳极限次数。这样可得到所有焊点损伤和寿命的分布情况，并可知哪块连接板上会先产生疲劳裂纹以及裂纹的初始方向。3某轿车B柱焊点疲劳分析3．1有限元模型某轿车B柱结构是通过点焊连接的，其模型如图3所示。3．2载荷在模型下端面集中点A处受到石、Y、彳3个方向的随机动载荷，载荷谱如图4所示。汽车技术 万方数据·材料·工艺·设备·图3B柱有限元模型及焊点单元细节图4模型A处所受三向载荷谱3．3材料焊核和母材具有不同的材料特性，对应的．s一Ⅳ曲线如图5所示。寿命图5焊核和母材的S一Ⅳ曲线3．4焊点寿命计算结果分析在上述工况和材料、载荷特性下，运用上述计算方法对该模型焊点疲劳寿命和损伤进行了计算。结果如表l所列。表1为按损伤值由大到小的顺序显示的前8个焊点的疲劳寿命和失效可能发生部位，可见第32597号焊点单元的损伤最大，寿命最短为50800次循环，且可能先发生失效的部位在板2。在后处理中可以方便地以颜色来标志每个焊点的寿命和损伤值分布，如图6所示。这样可以给出所有焊点的寿命、损伤分布情况，在实际加工时就可以对损伤2006年第2期较大的焊点区域采取一定的改进措施，对损伤较小的焊点区域则可以通过减少焊点数目来降低成本。表1焊点疲劳损伤计算结果焊点单元号寿命／次损伤值失效部位1325975．080×1041．97×10-5板22325962．832×1063．53x100板23322853．897：<1062．57×10-7板l4278733．920×1062．55×1旷板25326125．411×1061．85×10-7板26325686．500×1061．54×100板17322145．966×107．1．68x104板28326847．473×1071．34×104板l图6焊点疲劳寿命分布还可对损伤最大的第32597号单元在一个载荷循环下焊核及其连接的两层壳元的寿命、损伤、最大应力进行极坐标显示，可用来确定裂纹形成的初始方向，如图7所示。⋯焊核一板l一板2l图7最危险单兀截面最大应力极坐标实践表明，上述预估的寿命较短部位与实际发生的损坏部位基本一致，为B柱与上横梁的相交处。4结束语本文应用的焊点疲劳寿命预估方法和程序是德国LBF疲劳强度实验室、英国nCode公司和瑞典VOLVO汽车公司合作开发的成果，已成功运用于VOLVO$80新车型的设计和分析中。通过有限元分析，结合应力简化计算，就能计算实际载荷工况下的焊点疲劳损伤，为其强度性能评估、焊接工艺优化、一39— 万方数据·使用·维修·丰田4S—FE发动机ECU的故障分析及排除胡年阎青松(广东机电职业技术学院)【摘要】丰田4s—FE型发动机ECU采用26P+16P+12P的端子结构，有19个输入信号和11个输出信号。给出了该ECU内部结构及各端子代号和含义。对ECU稳压电源电路、模拟信号输入电路等各子系统电路的工作原理进行了介绍。例举了对发动机ECU损坏故障、发动机喷油器连续喷油故障的分析及排除。主题词：发动机ECU故障检修中图分类号：文献标识码：文章编号：1000—3703(2006)02—0040—03FailureAnalysisofECUofTOYOTA4S—FEEngineHuNian，YanQingsong(GuangdongElectro—mechanicalVocationalTechnologyCollege)【Abstract】TheECUofToyota4S-FEengineUSeSthe12P+16P+t2Pterminalconfiguration，ithas19inputsignalsand1outputsignals．TheinsidestructureandterminalcodesandmeaningsoftheECUalegiven．Theworkingprincipleofitsregulatedpowersupplyelectriccircuitanditsanalogsignalinputelectriccircuitareintroduced．AnalysisandremovalofECUfailureandenginefuelinjectorfailurearegiveninthepaper．Keywords：Engine，ECU，Failure，Troubleshooting1丰田4s—FE发动机ECU结构表1所列。丰田4S—FE发动机ECU采用26P+16P+12P的端子结构，由FUJISUTENLIMJTED公司制造，其内部结构如图1所示。它主要由7个专用集成芯片和输入、输出电路组成。集成电路芯片IC．为稳压电源控制器；IC：为模／数(A／D)转换器；IC。为电压比较器；IC。为数字输入缓冲器；IC，为大功率驱动电路；IC。为怠速阀驱动器；IC，为ECU的CPU和存储器部分，并带有驱动器，直接驱动5个输出信号。丰田4S—FE发动机ECU端子代号及其说明见2各集成电路工作原理2．1ECU稳压电源电路(ICl)ECU稳压电源电路的主要功能是：在待机状态下，给RAM提供电源，保持故障信息；在工作状态下，给各芯片提供5V稳压电源和外传感器的5V稳压电源。集成芯片上具有DC／DC变换、电流电压保护、欠电压检测、通电复位延时和外接PNP功率器件的固定5V电压稳压器等功能。IC．芯片为17一PIN整车减重提供重要的参考依据，使在实物样车制作出来之前就提供给设计者对车身疲劳寿命的整体认知。该计算分析结果在最终的物理试验考核中得到了很好的验证，该方法可以广泛应用于汽车结构中点焊连接部件的分析和设计中。参考文献1Peter．Heyes，Mikael，Farm，等．工程预测焊点疲劳寿命．中国机械工程，1998，9(11)：35～38．2RadajD．LocalFatigueStrengthcharacteristicValuesforSpotWeldedJoints．EngineeringFractureMechanics，1993，37(1)：245—250．．．．——40．．．——3RuppA．ComputerAidedDimensioningofSpot—weldedAut-omotiveStructures．SAETechnicalPaper950711，1995．4SmithRA，CooperJF．TheoreticalPredictionoftheFatigueLifeofShearSpotWelds．FatigueofWeldedStructures，1988，12(3)：65-72．5SheppardSD，StrangeME．FatigueLifeEstimationinResist-anteSpotWelds：InitiationandEarlyGrowth．Phase．AtigueandFractureofEngineeringMaterialsandStructures．1992，15(6)：531-549．(责任编辑文楫)修改稿收到日期为2005年12月28日。汽车技术 车身结构中焊点疲劳寿命预估作者：朱涛，高峰，刘国良，ZhuTao，GaoFeng，LiuGuoliang作者单位：北京航空航天大学刊名：汽车技术英文刊名：AUTOMOBILETECHNOLOGY年，卷(期)：2006(2)被引用次数：1次参考文献(5条)1.SheppardSD;StrangeMEFatigueLifeEstimationinResistanceSpotWelds:InitiationandEarlyGrowth.Phase1992(06)2.SmithRA;CooperJFTheoreticalPredictionoftheFatigueLifeofShearSpotWelds1988(03)3.RuppAComputerAidedDimensioningofSpot-weldedAutomotiveStructures19954.RadajDLocalFatigueStrengthcharacteristicValuesforSpotWeldedJoints1993(1)5.Peter.Heyes;Mikael,Fam工程预测焊点疲劳寿命[期刊论文]-中国机械工程1998(11)本文读者也读过(6条)1.杜中哲.朱平.何俊.韩旭.DuZhongzhe.ZhuPing.HeJun.HanXu基于有限元法的轿车车身结构及焊点疲劳寿命分析[期刊论文]-汽车工程2006,28(10)2.姚乾华.陈昌明.YaoQianhua.ChenChangming汽车车身结构中接头的计算分析[期刊论文]-中国科技信息2007(19)3.杜中哲轿车车身结构及焊点的疲劳寿命分析与优化改进研究[学位论文]20064.杨年炯.钱立军.关长明.YANGNian-jiong.QIANLi-jun.GUANChang-ming车身焊点有限元建模方法探讨[期刊论文]-焊接技术2009,38(4)5.张志政.雷永平.史耀武.卢振洋.ZHANGZhizheng.LEIYongping.SIYaowu.LUZhenyang焊点对于汽车B立柱刚度影响的数值分析[期刊论文]-新技术新工艺2009(12)6.朱涛.宋健.李亮.ZhuTao.SongJian.LiLiang基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算[期刊论文]-汽车技术2009(5)引证文献(1条)1.杨年炯.钱立军.关长明车身焊点有限元建模方法探讨[期刊论文]-焊接技术2009(4)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_qcjs200602010.aspx