5 ? 10 1 000 000 782 000 底盖焊缝处 不合格
底盖焊缝处 6 ? 10 1 000 000 1 000 000 裂纹尺寸
0. 73 mm
分析结果表明, 试件不满足疲劳寿命的要求, 因此 需采取有效的措施延长其疲劳寿命, 例如焊后在焊缝 焊趾部位采用锤击、超声冲击等产生残余压应力[ 1, 2] , 或者在焊接时, 改善焊接工艺, 加大焊缝的高度以减小 加载时产生的应力集中, 由于后一种方法不需焊后处 理, 成本低, 因此本文以下通过有限元计算, 研究了焊 缝尺寸对应力集中的影响情况。
Key words: vibration damper, fatigue lif e, FEM
0前 言 在动载荷作用下, 汽车减振器的焊趾部位经常发
生疲劳破坏, 减振器形状及常见的断裂位置见图1, 本
图 1 减振器形状及 常见断裂情况
文对 某 公 司生 产 的 减 振 器进 行 了 疲 劳 试 验, 并 按 EP 56300. 30 标准对试件合格与否进行了检验。在此 基础上, 提出了焊后锤击造成残余压应力, 或改善焊接 工艺以降低应力集中系数等, 从而提高汽车减振器焊 接接头疲劳强度( 即延长减振器疲劳寿命) 的相应措施。
参考文献
1 霍立兴. 焊接结构的断裂行为及评定. 北京 : 机械工业出 版 社, 2000.
2 Dieter Radaj( 郑 朝云, 张 式 程译 ) . 焊 接结 构 疲劳 强度 . 北 京: 机械工业出版社, 1994. ( 收稿日期 2002 11 30)
作者 简介: 陈俊梅, 1973 年生, 博士后。主 要研 究方向: 结 构 的强度与断裂和焊接变形的有限元预测。
关键词: 减振器 疲劳寿命 有限元
FATIGUE LIFE ANALYSIS OF THE VIBRATION DAMPER
Shanghai Jiaotong Universit y Chen Junmei, Lu Hao, Lou Songnian
Abstract Fatigue failure is the common question occurred at the w eld toe of t he vibration damper. Fatig ue test of the vibration damper is carr ied out and the acceptance condition of test piece is judg ed according to t he demands of EP56300. 30 standard. T he effect of weld size on stress concentration is analyzed by FEM , and on that base the cor responding methods is put forw ar d to pro long fatig ue life of the vibration damper.
焊缝处底 盖最大 主应力/ M Pa
底盖处最大主 应力降低的 百分比( % )
26. 4 b 1= b 2= 24. 3
169. 86
7
24. 4 b 1= b 2= 24. 3
182. 58
图 3 计算所用的有限元网格划分图
以下计算分析了 不同焊缝高度值 a 的变化对最 大主应力的影响, 计算的载荷取 18 kN, a 和 b 的尺寸 取值及两种情况下最大主应力的计算结果见表 4。可 以看出, 焊缝宽度的增加会降低焊缝底盖处的应力集 中。因此焊接时, 适当增加焊缝的厚度有利于疲劳强 度的提高。
# 29 #
力, 载荷类型等。由于建模困难, 有限元计算时未考虑 焊缝的焊趾半径。因此建议适当加大焊缝的厚度的同 时, 采用好的焊接工艺增大焊趾过渡半径以降低焊趾 的应力集中, 达到提高疲劳强度的目的。
表 4 a 值变化对最大主应力的影响( 载荷取 18 kN)
a 的取值 / mm
b 1、b2 的取值 / mm
值得注意的是, 裂纹的起裂位置与诸多偶然因素 有关, 如焊趾部位的实际缺口几何形状、焊趾的残余应
3结 论
( 1) 原焊接工艺参数所焊 Q235 减振器的疲劳性 能不能满足疲劳寿命的要求。
( 2) 在提高疲劳强度方面, 建议适当加大焊缝的厚 度, 采用增大焊趾过渡半径的焊接工艺进行焊接来降 低焊趾的应力集中, 以满足疲劳性能的要求。
表 3 疲劳试验 结果
测试力 要求循环 实际循环
N o. / kN
载荷次数 载荷次数
断裂位置
合格 情况
1 ? 18 30 000 10 200 底盖焊缝处 不合格
2 ? 18 30 000 16 040 底盖焊缝处 不合格
3 ? 14 133 000 133 000
未开裂
合格
4 ? 14 133 000 104 200 底盖焊缝处 不合格
试验所用疲劳试验机的型号为 MST 880. 50, 载荷 类型为拉伸载荷, 见图 1, 试验机加载波形为正弦波, 应力 循环特征系数 R = - 1, 试件的加载频率为 40 Hz, 当裂 纹尺寸达到 0. 75 mm 或达到要求的循环次数时停止试验。 1. 2 疲劳强度要求
按 EP56300. 30 标准, WÊhler S- N 曲线的斜率 K 为 6( K 是以 log s 为纵坐标, log N 为横坐标所得 直线的斜率) , 要求达到的最低循环次数的近似值( 平
收弧电压 U S/ V
焊接气体
气体流量 Q / ( L#min- 1)
焊丝直径 焊丝牌号
d/ mm
焊接速度 v / ( m#min- 1 )
80% Ar+
260~ 280
26
1 80
18
24
JM- 56
1. 2
0. 9~ 1. 1
20% CO2
表 2 测试力和应力对应表
测试力 F/ kN
对应的应力范围 S / M P a
? 10
59. 7
? 14
83. 6
? 18
107. 5
图 2 根据试验所拟合 S- N 曲线与标准要求 的 S- N 曲线的比较图
1. 3 疲劳试验结果 表 3 为疲劳试验的结果, 包括断裂位置及给定载
荷下的循环次数。 图 2 为试验 S- N 曲线与标准 S- N 曲线的比较
图( 只输入破坏试件的数据, 共 5 个破坏试件的试验数 据) 。
焊接 2003( 1)
减振器疲劳寿命分析
# 27 #
上海交通大学( 200030) 陈俊梅 陆 皓 楼松年
摘要 在动载荷作用下, 汽车减振器的焊趾部位经常发生疲 劳破坏。对减 振器进行了 疲劳试验, 按 EP56300. 30 标准对试件合格与否进行了检验 。并根据 有限元计算分析的焊缝尺寸对减振器焊接接头应力集中的影响 情况, 提出了延长减振器疲劳寿命的相应措施 。
2 有限元计算
以下对应力的分布情况进行了有限元计算。计算 采用的单元 为四面体四节 点单元, 根据 IIW 有关推 荐, 对于焊缝与母材垂直相交线上的单元尺寸, 应当保
焊接 2003( 1)
证从该 单元中心到 焊趾的距 离小于 0. 4 倍的管壁厚 度[ 1] , 对该减振器, 壁厚为 3. 6 mm, 可取网格尺寸为 2 @ 0. 4 @ 3. 6= 2. 8 mm, 利用大型通用软件 ANSYS 的自动网 格划分功能, 规定整体网格尺寸为 2. 8 mm, 所得有限元 网格见图 3, 在底盖横截面上作用均匀单位压力, 计算发 现底盖焊缝处存在严重的应力集中, 计算结果还发现裂 纹扩展方向均垂直于局部最大主应力方向。因此, 在以 下焊缝尺寸的有限元计算中, 采用最大主应力作为分析 应力类型。接头的分析应力选择为紧邻焊缝中央焊趾处 并垂直于该焊趾节点表面的最大主应力。
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焊接 2003( 1)
均值或均线值) 如下: F = ? 10 kN , 最低循环次数均值 1 @ 106; F = ? 14 kN, 最低循环次数均值 1. 33 @ 105; F = ? 18 kN , 最低循环次数均值 3 @ 104。
试验结果分析时, 采用名义应力法对试件进行评 定。名义应力 取垂直于载荷方向的底盖 截面的正应
Байду номын сангаас
根据表 3 数据所拟合的 S- N 曲线的公式为: S 7. 42N = 1. 54 @ 1019
曲线斜率为 7. 42, 根据拟合曲 线, 给定的载荷下 试件达到的循环次数的近似值( 平均值或均线值) 如
下: F = ? 10 kN , 循环次数均值 1 @ 106; F = ? 14 kN, 循环次数均值 81 162; F = ? 18 kN, 循环次数均值 12 810。
1 疲劳试验及试验结果
1. 1 疲劳试验的条件 试验共用试件 6 个, 选用的减振器材料为 Q235,
焊接方法为 T IG, 焊接工艺参数见表 1, 为方便以后计 算, 对试件的焊缝尺寸进行了测量。如果用 a 表示两 条焊缝外侧的 距离, 则测 量得到的 a 为 24. 4~ 26. 5 mm, 用 b ( b1、b2) 表示两条焊缝的长度, 则测量所得 b 为 24. 32~ 27. 1 mm。
力:
R=
F A
, 其中截面积
A=
P(
d外 2)
@ 2-
P(
d内 2
)
@ 2=
334. 85 mm 2。
表 2 为 EP56300. 30 标准中三种测试力对应的应
力范围。图 2 表示出了用应力范围和对应的循环次数
所做 S- N 图。
表 1 焊接工 艺参数
焊接电流 I/A
焊接电压 U/ V
收弧电流 IS/ A