不锈钢激光焊接头疲劳损伤过程中的固有频率变化特性

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我国自20世纪90年代开始研发全不锈钢轨道客车车辆以来,在不锈钢轨道客车的车体生产中一直采用电阻点焊技术,而电阻点焊的车体结构存在外板局部变形、密封性差、不美观等缺点。鉴于欧美、日本等主要工业发达国家已采用激光焊接技术生产快速、高档、轻量化的不锈钢轨道客车,近年来,我国也开始研发将激光焊接技术应用于不锈钢外板与骨架之间的连接,而对激光焊焊接的不锈钢车体的使用寿命及在使用过程中的安全可靠性研究,则是能否实现激光焊代替电阻点焊的关键技术之一。本文针对激光搭接接头和电阻点焊接头的疲劳损伤及寿命预测问题进行研究,以固有频率为损伤变量,通过疲劳试验和动态响应测试对激光焊和电阻点焊接头试样各疲劳阶段的损伤程度进行监测,分析了固有频率幅度变化率与寿命循环数之间的关系,对比激光焊和点焊接头在疲劳过程中的损伤程度,以及提出了激光焊和电阻点焊接头的疲劳寿命预测方法。同时,利用三维有限元模拟了激光焊和电阻点焊接头裂纹扩展过程中固有频率的变化特性,并通过试验对比证明了三维有限元模型能很好地模拟激光焊和点焊接头裂纹扩展过程中固有频率的变化趋势。通过上述的研究得出以下结论:1.在激光焊和电阻点焊接头试件的疲劳过程中,随着疲劳循环次数的增加,试件各阶固有频率均有不同幅度的下降,其中第十一阶固有频率下降幅度最大,表现出规律性最为显著。2.有限元分析表明,激光搭接焊裂纹体模型的固有频率随疲劳裂纹的扩展近似呈匀速高幅值下降特征,即激光焊试样在萌生裂纹后,疲劳损伤程度均匀地大幅增加,裂纹快速扩展直至断裂;电阻点焊模型在裂纹扩展初期,其固有频率缓慢下降,此时损伤程度较小;随着裂纹的继续扩展,固有频率呈大幅度下降特征,表明接头的损伤程度加剧直至疲劳破坏。3.激光焊接接头在60%寿命时裂纹开始萌生,到80%寿命时出现宏观裂纹,此时损伤程度达到50%,随疲劳过程继续进行,裂纹快速扩展至试件被破坏。电阻点焊接头在30%寿命左右时裂纹开始萌生,在60%寿命左右,出现宏观裂纹,此时损伤程度为50%,达到90%寿命左右时,裂纹迅速扩展,直至点焊接头完全破坏。4.通过固有频率幅度变化率及损伤的关系建立了寿命预测模型,根据该寿命预测模型得到的结果与试验结果基本相同。
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