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薄鋼板粘接點焊結構的強度有限元分析

發布于:2022-06-08 20:51
有限元分析

      粘接與點焊相結合的技術(以下簡稱粘焊),是金屬薄板連接中的一種新興技術,80年代以來它受到學術界和產業界的關注。粘焊技術的研究,在理論上涉及化學、界面物理、界面化學以及材料科學等學科,是一種多學科交叉的邊緣科學。在工程實際中粘焊技術已開始得到重要應用,但缺乏較完整的理論體系。文獻針對煙臺汽車制造廠的農用車駕駛室底盤前橫梁實際的點焊構件,以及相應的粘接點焊結構進行了有限元分析。為進一步研究其強度特性,本文則對它們進行了實驗研究并與數值分析結果作了對比分析,其結果對工程實際有參考價值。
      所分析的兩種試件的不同之處僅在于接合部位,一種是僅靠焊點連接的,而另一種是先粘接后點焊的,本文對它們進行了彎曲和扭轉實驗。
      該結構因其截面圖如同帽子,故稱其為帽式結構。
      制作試件時選用的材料是汽車薄鋼板。所用粘接劑為酚醛樹脂結構膠,其材料參數是:E = 2.875GPa,0.415,G=1.06GPa。粘接后再點焊時的工藝及最佳參數見文獻,這里不再說明。
      試驗中采用電測法測勝點焊結構和枯接點揮結構下底板中心線的應力。
      考慮到載荷和試件的對稱性,彎曲實驗時應變片只貼了半邊。
      扭轉時的下底板上主要是剪應力,因此應變片是按45度角斜貼的,所得到的應力值與剪應力的大小是一祥的。
      點焊連接時,應力明顯比焊點處的偏高,整條曲線表現出較大波動性。而在粘接點焊連接時不論有無焊點應力都比較均勻。它的大多數節點上的應力差不多都在一條水平線,盡管在個別點有些分散,這大約是試驗過程中的各種因素所致。
      將實駿教據與數據分析結果進行比較有重要憊義,它不儀可以直觀地驗證數值分析的準碗程度,更重要的是它能幫助我們賈清楚地觀察出各種因素的影響,以便找出在計算和實驗中要改進的地方,這對以后深入地進行計算分析和實臉研究是有憊義的。一旦它呈現較好的一致性,就可以大大減小實驗工作。這對在結構的設計、生產中降低成本,縮短從研制到生產的開發時間,都是十分有意義的。
      在數值分析中,上下板全部使用薄板單元,有限元單元劃分的難點和重點在于確定接合部位的單元形式,考慮到不同單元自由度數的匹配問題及計算精度,本文在接合部位采用了三維實體單元,效果不錯。所用三維實體元容易實現不同自由度數單元間的協調。該模型共有650個節點,576個薄板單元,16個焊點體單元和128個膠層體單元。
      在彎曲載荷與扭轉載荷作用下,粘焊結構和點焊結構中的應力分布的計算結果與測量結果可以看出實驗結果與有限元分析結果所顯示的規律性基本是一致的,這證明了數值分析有較好的可信度。但也存在著一些區別。最明顯的區別在于數量上,計算結果都比相應的實驗值大。存在這種差別的可能原因,主要有以下幾個方面:
      (1)計算時采用的力學模型是經過簡化的,薄板單元只承受三個中面力,而測量的是表面應力,這就很難精確地反映板厚的影響。
      (2)因為是薄壁結構,其邊界條件按實際模擬比較困難。彎曲實驗時采用的是支座不可能讓試件實現自由滑動,而是有一定摩擦力;扭轉時在所謂的固定端不可能實現理想的固定端約束,實際上有一定的松弛。
      (3)由于摩擦,實驗時實際加到試件上的載荷難以達到標稱值的大小,比如說,彎曲加載時,杠桿系統中的摩擦要起一定的作用,但本文對測試結果沒有加以修正。
      (4)扭轉時應變片的角度誤差影響較大。
      粘焊結構的數值分析和實驗結果下底面兩端都有一定的壓應力,它們剛好處于兩端第一個焊點外,這可能是由于膠層的彈性模量小于鋼板的彈性模量和支座與結構之間的摩擦阻力所致。


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