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焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究

张红卫 桂良进 范子杰

张红卫, 桂良进, 范子杰. 焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 102-110. doi: 10.3901/JME.2022.24.102
引用本文: 张红卫, 桂良进, 范子杰. 焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(24): 102-110. doi: 10.3901/JME.2022.24.102
ZHANG Hongwei, GUI Liangjin, FAN Zijie. Fatigue Life Prediction and Experiment of an Axle Housing Considering Welding Residual Stresses[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 58(24): 102-110. doi: 10.3901/JME.2022.24.102
Citation: ZHANG Hongwei, GUI Liangjin, FAN Zijie. Fatigue Life Prediction and Experiment of an Axle Housing Considering Welding Residual Stresses[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2022, 58(24): 102-110. doi: 10.3901/JME.2022.24.102

焊接残余应力对桥壳疲劳寿命的影响研究

doi: 10.3901/JME.2022.24.102
基金项目: 

清华大学校企合作资助项目 20192002040

详细信息
    作者简介:

    张红卫,男,1991年出生,博士研究生。主要研究方向为焊接模拟、疲劳分析。E-mail:1195864363@qq.com

    通讯作者:

    范子杰(通信作者),男,1958年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为汽车结构分析、优化设计及CAE方法。E-mail:zjfan@tsinghua.edu.cn

  • 中图分类号: TG402

Fatigue Life Prediction and Experiment of an Axle Housing Considering Welding Residual Stresses

  • 摘要: 桥壳作为驱动桥的核心零部件,其疲劳寿命对驱动桥乃至整车安全性有决定性的影响,对于制造过程中使用焊接工艺的桥壳,焊接残余应力的影响不容忽略。以某商用车驱动桥桥壳为研究对象,在获得其焊接残余应力分布的基础上,分析焊接残余应力对桥壳在静态载荷和动态循环载荷工况下应力应变响应的影响。使用应变-寿命分析方法对桥壳在弯曲疲劳试验工况下的寿命进行预测,并与台架试验结果进行对比,结果表明考虑焊接残余应力时,疲劳寿命次数和破坏位置的预测结果与试验结果吻合较好,验证桥壳疲劳寿命预测模型的准确性。与不考虑焊接残余应力的模型相比,焊接残余应力导致桥壳疲劳寿命次数降低,且失效位置不同,说明了疲劳寿命预测时考虑焊接残余应力的必要性。本文方法可推广应用于含有焊接残余应力的结构疲劳寿命预测,为结构优化设计提供指导。

     

    桥壳作为驱动桥的核心零部件,其疲劳寿命对驱动桥乃至整车安全性有决定性的影响,对于制造过程中使用焊接工艺的桥壳,焊接残余应力的影响不容忽略。以某商用车驱动桥桥壳为研究对象,在获得其焊接残余应力分布的基础上,分析焊接残余应力对桥壳在静态载荷和动态循环载荷工况下应力应变响应的影响。使用应变-寿命分析方法对桥壳在弯曲疲劳试验工况下的寿命进行预测,并与台架试验结果进行对比,结果表明考虑焊接残余应力时,疲劳寿命次数和破坏位置的预测结果与试验结果吻合较好,验证桥壳疲劳寿命预测模型的准确性。与不考虑焊接残余应力的模型相比,焊接残余应力导致桥壳疲劳寿命次数降低,且失效位置不同,说明了疲劳寿命预测时考虑焊接残余应力的必要性。本文方法可推广应用于含有焊接残余应力的结构疲劳寿命预测,为结构优化设计提供指导。
  • 图  桥壳有限元模型

    图  考虑相变的焊接残余应力仿真流程

    图  升温和冷却过程中材料塑性强化段曲线及热膨胀应变曲线

    图  不同峰值温度下热膨胀应变曲线

    图  焊接残余应力仿真结果与试验结果对比

    图  边界条件及连接关系

    图  静态加载工况下不同位置应力时间历程

    图  考虑焊接残余应力模型不同位置应力应变曲线

    图  循环加载工况下不同位置的应力时间历程

    图  10  P4不同阶段应力应变历程

    图  11  疲劳寿命分析流程

    图  12  Q490C应变-寿命曲线

    图  13  桥壳疲劳寿命预测结果

    图  14  试验现场及应变测点位置

    图  15  疲劳试验各应变测点结果

    图  16  疲劳试验应变测点试验结果与仿真结果对比

    图  17  桥壳样件破坏位置

    表  1  材料循环和疲劳特性参数估计经验公式

    参数 取值
    $ {\sigma '_f} $ 1.5Su
    $ b $ −0.087
    $ {\varepsilon '_f} $ 0.59(1.375−125 Su/E)
    $ c $ −0.58
    下载: 导出CSV

    表  2  静载工况下仿真结果与试验结果对比

    编号 1# 6# 2# 7#
    试验结果 908.75 940.26 1 766.57 1 669.74
    FEA 921.25 921.25 1 705.99 1 705.99
    相对误差(%) −1.4 2.0 3.4 −2.2
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-19
  • 修回日期:  2022-11-23
  • 网络出版日期:  2024-03-07
  • 刊出日期:  2022-12-20

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