基于点焊结构的机械性能梯度缺口件疲劳损伤与寿命预测研究

工程零部件常存在应力集中，即缺口，在循环应力应变载荷作用下，疲劳断裂是其主要破坏形式。研究表明电阻点焊结构的焊点边缘是一个缺口，但此缺口处材料机械性能与金属组织均不连续，存在一定的梯度，且常处于两轴或多轴的复杂应力状态，其疲劳特性更为复杂。本项目采用实验研究、理论分析、结合数值模拟方法，研究点焊结构在循环载荷作用下，其疲劳破坏过程中的非线性损伤累积规律及剩余寿命估算方法。主要内容包括：研究试样从高周寿命区到低周寿命区时，裂纹在焊点边缘不同位置处的萌生规律，分析缺口局部机械性能对疲劳裂纹萌生位置与萌生寿命的影响；研究变幅与随机加载情况下，载荷次序效应对累积损伤的影响，包括锻炼效应和过载延迟效应分别对裂纹萌生和裂纹扩展的影响。研究结果将为汽车车身等点焊结构及其它焊接缺口件等机械性能存在梯度的缺口件的耐久性设计提供技术依据。

电阻点焊由于具有操作简单、成本低、效率高等优点，在现代机械制造中应用广泛，特别是现代汽车工业。研究表明，焊点边缘在疲劳破坏过程中应视为一个缺口，且此缺口根部的材料机械性能受焊接过程的电阻热和电极加压作用存在一定梯度。缺口的不仅会引起结构的应力集中，还会改变缺口根部的应力状态，在复杂载荷下，机械上以点焊结构为代表的缺口件的疲劳破坏行为变得更为复杂，也更具有破坏性。.该课题对基于汽车车身用低碳钢板电阻点焊接头，对缺口处材料存在性能梯度的零件在疲劳载荷下的的疲劳损伤及寿命预测进行研究。研究表明，在疲劳载荷作用下，焊点边缘可看作是一个缺口。.此缺口处由于材料机械性能与金属组织存在一定的梯度，会影响到裂纹萌生的位置。对于以两级加载为代表的变幅加载，受加载次序的影响，损伤累积结果体现了点焊连接的缺口特点.加载次序对于研究用的ST12钢拉剪点焊试样的疲劳累积损伤有明显的影响. 加载的载荷水平间的差异越大，次序效应越明显。.若考虑载荷水平对损伤的影响，基于点焊结构在疲劳破坏过程中的固有频的变化所代表的损伤程度，得到了损伤的非线性演化与非线性累积关系；与不考虑载荷水平影响得到的荷载寿命关系相比，估算的寿命更为精确。此损伤演化式可用于复杂加载下的损伤累积与寿命估算。.由于在此研究中，对试样施加的载荷均为拉剪载荷，因而即使焊点的边缘是多轴应力状态，但却是似于多轴比例加载的情形，因而单轴要应力状态即可表述试件的应力状况。因而，使用结构应力或最大主应力预测法预测恒幅载荷下的疲劳寿命均可有相当的精度。而对于变幅载荷下的寿命估算，使用神经网络法预测寿命可达到相当的精度。.由于在轻合金的搅拌摩擦焊件中，其接头处由于焊接过程的作用，也呈现组织和结构的不连续，即也存在材料梯度，因而作为一种新兴的联接技术，其疲劳寿命预测也是目前研究的热点。在此研究中使用结构应力法和局部应力法对同种和异种镁合金板搅拌摩擦焊件也进行了寿命预测。