两级加载下双点拉剪点焊试件的疲劳损伤分析_覃秋雷.pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言恒幅加载下的试件疲劳寿命载荷关系一般可用 S-N 曲线表征。实际工程中,大多数构件都处于复杂变幅载荷之下，高低载荷的次序会对疲劳寿命有明显的影响。因此对于多级加载等典型变幅载荷加载下的试件，需要在 S-N 曲线和累积损伤准则的协同下进行剩余疲劳寿命预测。对于变幅载荷作用下的累积损伤的研究也成为疲劳寿命预测的一个侧重点。当前累积损伤理论大致分为 4 类：线性累积损伤、非线性累积损伤、双线性累积损伤和概率累积损伤等1。其中，线性累积损伤理论认为在循环载荷下，疲劳损伤与加载循环数是线性的关系，且疲劳累积损伤是简单地线性相加，应力间不会相互影响，当累积损伤一定时试件自动发生断裂。线性累积损伤理论最具代表性是 Miner 线性理论。Miner 线性理论认为，多级加载在每一级加载水平下的疲劳极限和实际循环数的比值全部累加为 1。刘建中等2通过对孔边疲劳断裂的两级加载实验发现，在两级加载下的疲劳累积损伤值基本围绕1跳动；王瑞杰等3通过实验观察到两级变幅加载下点焊结构的疲劳损伤存在应力次序效应，低-高加载次序时存在“锻炼效应”，线性累积损伤值大于 1；高-低加载次序时存在“过载效应”，线性累积损伤值也大于 1；钱怡等4用叠加的方法表示疲劳裂纹扩展的迟滞效应，对变幅载荷下的寿命预测也有较好的适用性。对于不同类型的试件，许多研究人员进行了大量的线性累积损伤的验证，发现线性累积损伤值并非简单等于 1，其值一般为 0.33，由于其计算简单，尽管有很多的局限性，但是在工程上应用频率较高。线性累积理论没有考虑载荷间的相互作用和doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.001两级加载下双点拉剪点焊试件的疲劳损伤分析覃秋雷，王瑞杰，武陇岗，王钟德，常亚光（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）摘要 根据低碳钢双点拉剪点焊试件的恒幅加载疲劳实验结果，拟合出试件的 S-N 曲线，使用线性和非线性疲劳损伤累积理论对两级加载下试件剩余疲劳寿命进行了预测。两级加载的剩余疲劳寿命预测结果表明，线性损伤累积方法的预测结果稍好于非线性预测结果。针对非线性疲劳损伤累积方法的预测结果不理想，考虑实验时试件的载荷间的相互作用，分别提出 Manson-Halford 模型和 Ye 模型的修正模型。改进后的模型对剩余疲劳寿命的预测结果有一定的改善，并且预测结果也比线性预测结果较好。关键词 双点拉剪点焊；非线性疲劳累积理论；剩余疲劳寿命预测；Manson-Halford 模型；Ye 模型 中图分类号 TG407 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0001-06引用格式：覃秋雷,王瑞杰,武陇岗,等.两级加载下双点拉剪点焊试件的疲劳损伤分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):1-6.Fatigue damage evaluation of double-spot welds under two-stage loadingQIN Qiulei,WANG Ruijie,WU Longgang,WANG Zhongde,CHANG Yaguang(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan,China)Abstract According to the constant amplitude loading experimental results of low-carbon steel double spot welds,the S-N curve was fitted and the remaining fatigue life was predicted using both the linear and nonlinear fatigue damage accumulation theory.The residual fatigue life prediction results of two-stage loading showed that the linear damage accumulation prediction result is slightly better than the nonlinear prediction result.In light of the unsatisfactory prediction results of the nonlinear fatigue damage accumulation methods,modified the Manson-Halford and the Ye model considering the interaction between the loads.The improved models have some improvement for the remaining fatigue life,and they are also better than the linear prediction models.Key words double-point tensile shear spot weld;non-linear fatigue accumulation theory;fatigue life prediction;Manson-Halford model;Ye model基金项目：国家自然科学基金资助项目（51065012）收稿日期：2022-01-22 2农业装备与车辆工程 2023 年次序效应，为进一步优化线性累积理论，许多学者提出非线性疲劳累积理论。非线性疲劳累积理论大致可分 6 个方面：损伤曲线法、材料物理性能退化法、寿命曲线转移法、能量准则法、连续损伤力学法、损伤应力法5。针对多级加载下试件的疲劳寿命受载荷间的交互作用、强度退化和累积损伤等因素影响，提出了有效的非线性改进模型6-7。Lv等8基于载荷间比值可表示为损伤引起的载荷间互相影响，提出了多级加载中的应力比为参照量的载荷间相互作用修正因子，进一步提高了寿命预测方程的准确性；Gao 等9为了更好地体现 Manson-Halford理论载荷间加载顺序和载荷间相互作用，将应力比计入寿命预测方程，得到一个较优结果。本文根据线性和非线性疲劳累积损伤理论，对双点点焊试件的两级加载的实验结果进行疲劳损伤累积和剩余疲劳寿命的预测，并将实验结果和疲劳寿命预测结果相比较。1 试件实验与分析实验试件的材料为汽车车身使用的 ST12 低碳钢冷轧板，抗拉强度 b=270 410 MPa，屈服强度 s280 MPa，弹性模量为194 GPa，泊松比为0.32。双点焊的焊核直径大小一致为 5.4 mm，焊核之间的间距为 20 mm。实验加载时，试件的夹持状态和结构如图 1 所示。实验采用 MTS809 液压伺服材料实验机进行疲劳加载，施加的载荷方式为力控制。实验的载荷波形为 ramp 波，加载的频率为 1015 Hz。当恒幅加载时，记录试件发生疲劳破坏时的加载循环数为试件的疲劳寿命。双对数坐标下，恒幅加载下应力幅与实验寿命关系如图 2 所示。此处的应力为载荷除以横截面积，应力幅值为 46.67136.67 MPa。恒幅加载下，在双对数坐标下拟合应力幅和实验寿命曲线，得出表达式为SN0.219=102.812 (1)式中：S应力幅；N试件的实验寿命。根据式（1）得出应力幅对应的拟合疲劳寿命，确定两级加载的实验方案。本次实验加载载荷次序分别为低-高加载和高-低加载，施加载荷的平均应力都为 120 MPa。实验方案及测试结果如表 1所示。由于实验为两级加载，实验时设定某一应力下总疲劳寿命循环数的 10%70%作为第一级载荷循环数，随后改变应力大小，继续加载，直到试件发生疲劳破坏，记录此时的总加载循环数为试件的总疲劳寿命。表 1 两级加载实验方案Tab.1 Experimental scheme for two-stage loading组号载荷水平应力幅/MPa预测疲劳寿命第 1 组水平 183.3311 825水平 2116.672 542第 2 组水平 16053 013水平 283.3311 825第 3 组水平 16053 013水平 2116.672 542组号载荷水平应力幅/MPa预测疲劳寿命第 1 组水平 1116.672 542水平 283.3311 825第 2 组水平 183.3311 825水平 26053 013第 3 组水平 1116.672 542水平 260.0053 013图 2 恒幅加载下应力幅与实验寿命关系Fig.2 Relationship between stress amplitude and experimental life under constant amplitude loading（b）图 1 试件的夹持状态及结构图Fig.1 Holding status and structure diagram of the specimen（a）试件的结构 （b）试件的夹持状态（a）5.440561231901.53第 61 卷第 3 期覃秋雷 等：两级加载下双点拉剪点焊试件的疲劳损伤分析2 线性和非线性疲劳累积损伤模型2.1 线性疲劳累积损伤模型Miner 线性累积损伤理论认为每一级应力水平下损伤是一样的，一般要符合 3 点假设：每一级应力水平下的损伤值相等；加载水平不一致时，载荷间无相互作用；加载顺序不会影响损伤值的变化、多级加载的疲劳累积损伤值是 1。Miner 准则在试件吸收净功基础上，提出了线性累积损伤模型10。总体来说，Miner 准则假设每一级应力水平下每个应力循环的损伤为 DN1=(2)式中：N某一应力水平下的疲劳寿命；D疲劳累积损伤值。由于每一级载荷下每个循环的损伤值一致，当试件受到 n 级加载水平个循环时 DNn=(3)两级加载下的总损伤值的表达式为DNnNn1ff1122=+=(4)式中：n1，n2 N1f，N2f寿命应力水平下的循环加载数。2.2 非线性疲劳累积理论模型2.2.1 Manson-Halford 模型Marco 和 Starkey 提出了一种非线性损伤曲线法，认为当疲劳累积损伤值达到 1 就会产生疲劳破坏，但是并没有给出完整的计算方法，因此Manson-Halford 11就损伤曲线法提出了完整的计算式，认为疲劳破坏的最大疲劳裂纹长度也可以用累积的形式表达，即aaaaNN/ffaN002 3.f0 4=+-()(5)式中：Na产生的裂纹长度达到 a 时的循环载荷数；a0起始裂纹长度；Nf 截止断裂长度 af=0.18 的载荷循环数。DaaaaaaNN1/ffffaN0002 3.f0 4=+-()(6)其中疲劳失效的认定就是起始裂纹长度等于截止断裂的长度。通过损伤的线性演化，说明寿命预测方程与非线性累积损伤的几何参量无关，因此这些参量在式（6）中取值为 0,可以使一个非线性化曲线方程实现线性化的计算，得出两级加载的剩余疲劳寿命预测方程为NnNN1/fffNN2211.ff120 4=-()(7)式中：n1，n2 N1f，N2f寿命应力水平下的循环加载数。2.2.2 Ye 模型Ye 理论12通过疲劳损伤的变化过程，分析其中的宏观力学参量的变化规律，发现材料的内部构件的表面裂纹产生导致弹性下降。而对于塑性，则是从更深入的角度阐述内部构件晶体的位错和晶体活动形成的壁垒导致的材料塑性的降低。此理论的基础是能量耗散的物理型，而疲劳累积损伤过程就是个不可逆的过程。随着试件的强度和性能的不断下降，韧性也就不断减弱。通