基于拟牛顿法的点焊结构应力—疲劳寿命曲线优化 | CJME论文推荐
Yahang Qin, Shoune Xiao, Liantao Lu, et al. Structural Stress–Fatigue Life Curve Improvement of Spot Welding Based on Quasi-Newton Method. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2020, 33: 36.
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工程中常用△F-N曲线是来进行点焊疲劳寿命的预测，但这种方式耗时费力，通用性差。为了准确、有效地预测点焊的疲劳寿命，进行了不同板厚组合点焊试样的拉剪疲劳试验。用有限元法对这些试件进行了模拟，并对结构应力进行了理论计算。在双对数坐标系下，基于拟牛顿法，采用最小二乘法拟合点焊结构应力-疲劳寿命曲线。以S-N曲线相关系数的平方为优化目标，以力、弯矩、点焊直径、板厚修正系数为变量。在优化过程中，利用三种不同的方法得到三种优化的点焊S-N曲线，分别适用于不同的情况。结果表明，改进了S-N曲线的拟合效果，数据点更加紧凑，优化效果显著。这些S-N曲线可用于疲劳寿命的预测，为实际工程应用提供了依据。
采用奥氏体不锈钢设计简单的单点焊试样，疲劳试验所用试件一共五种类型，其板厚组合分别为：0.8+1.2mm、0.8+2.5mm、1.5+1.5mm、1.5+2.0mm、2.0+2.0mm。各试件只是板厚、焊核直径不一样，其余试件形状、长度等都一致，对1.5mm+1.5mm点焊试件采用R=0.1、0.5两种载荷比进行加载，其余试件只采用R=0.5的载荷比加载。设计合适的夹具及垫板，使用瑞士RUMULTESTRONIC高频疲劳试验机上进行拉剪疲劳试验。
对六种类型、五种板厚组合的点焊试件，进行拉剪疲劳试验。提取壳单元点焊模型的力和力矩，通过编程计算得到点焊试件母材处的等效结构应力。在双对数坐标系下，对基于拉剪力计算的母材等效结构应力、点焊疲劳寿命进行线性回归分析得到：在拉剪疲劳载荷下，载荷比R=0.5时，点焊试件的S-N曲线为y=-0.1694x+3.2506，相关性系数|r|=0.919，剩余标准差
本研究得到的S-N曲线适用于荷载比r = 0.5，母材为EN1.4318，板材厚度为0.8 ~ 2.5 mm的点焊结构的疲劳寿命。以相关系数平方R2的值为目标函数，提出了三种优化方式对载荷比R=0.5下的S-N曲线进行修正。经过三种方式的修正，点焊S-N曲线的相关系数都有一定的提升，数据点分布紧凑且都落在5倍寿命分散带内，优化效果显著，所得S-N曲线可以用作疲劳寿命的预测。
当试验数据中载荷、直径、板厚类型较多时，推荐使用C2优化；当试验数据较少时，推荐使用C3优化；当试验数据中直径、板厚类型较多，但载荷类型较少时，推荐使用C4优化。
不锈钢材料具有强度高、耐热性好、耐腐蚀性强、良好的焊接性、维修量低的特点，因而被广泛应用在轨道交通车体结构中。使用不锈钢车体，还可以满足现代交通运输对于轻量化的要求。不锈钢车体的主要焊接方式为点焊。列车在实际运行过程中承受着复杂的交变载荷，在这些载荷作用下，焊接结构成为车体结构中最易发生疲劳破坏的位置。如果能在设计初期，合理预测点焊的寿命，那么将规避风险、挽回损失。本文以试验、理论、仿真相结合的方法，对拉剪载荷下点焊的疲劳特性展开相应研究，取得了一定成果，可以用作点焊结构疲劳寿命的预测。
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肖守讷，江苏沛县人，研究员，主要从事机车车辆结构设计及理论、车体与转向架结构强度、碰撞动力学等研究。主要承担项目包括国家科委“八五”“九五”“十五”“十一五”“十二五”国家重点科技项目（攻关）、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、高等学校科技创新工程重大项目培养资金、国家自然科学创新研究群体科学基金、教育部创新团队研究计划、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家重点基础研究发展（973）计划、中国铁路总公司、国内各大主机厂等在内的多项科研课题。2005年获四川省“学科和技术带头人后备人选”， 2002年“东风4D系列内燃机车”获中国铁道学会科学技术一等奖。获国家发明专利授权10余项，发表相关学术论文100余篇。
结构强度、复合材料轻量化与碰撞研究团队隶属于牵引动力国家重点实验室机车车辆研究所，团队目前有专职教师5人，博士生5名，硕士生51名。主要涉及车辆工程、载运工具运用工程、非线性动力学、工程力学、断裂力学、复合材料等多个学科领域，开展前沿基础理论研究与工程应用研究。主要研究方向为：机车车辆结构设计与理论、列车碰撞安全性、结构强度、疲劳可靠性、吊挂设备耦合振动、复合材料与结构轻量化、动力学、疲劳断裂，以及车辆性能-参数关系与系统平台搭建等等；主要研究对象包括：车体（动车组系列、地铁车、磁悬浮车、低地板车、机车以及其它特种车辆（加载车、隧道检测车等）、转向架（构架、车轴、轴箱及其它部件）、吊挂件（电池箱、变压器等车体吊挂件）等。先后承担包括国家973、863、国家重大专项、国家科技支撑计划、国家自然科学基金、中国中车、四川省科技厅等纵向项目20余项，校企合作项目100余项，获中国铁道学会铁道科技一等奖1项、铁道学会科学技术一等奖1项、四川省科技进步二等奖1项。
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编辑：李楠 编校：张强
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