張系斌,李 軍,王哲平

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

焊接殘余應(yīng)力是近年來較為熱門的課題,很多學(xué)者對有焊接殘余應(yīng)力的板架的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了深入的研究,但是中厚板焊接殘余應(yīng)力對動力特性的影響的研究還亟待分析和討論。模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性,即結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比[1],它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),同時也可以作為其他動力學(xué)分析問題的依據(jù)。為此,筆者通過對3種不同厚度板在有焊接殘余應(yīng)力和無焊接殘余應(yīng)力的情況下分別做出模態(tài)分析,得到焊接中厚板前8階固有頻率,研究不同厚度的焊接板中殘余應(yīng)力對動力特性的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所DASP V10智能數(shù)據(jù)采集和信號處理分析軟件。試驗(yàn)構(gòu)件共有中厚板12塊,分為3組,每組中厚板尺寸相同,且每組中有1塊無焊接板來進(jìn)行試驗(yàn)對比。試驗(yàn)材料尺寸和數(shù)量如表1所示。材料性質(zhì)為Q345B的鋼板,具有良好的機(jī)械性能、可焊性和加工工藝性。鋼板力學(xué)性能:抗拉強(qiáng)度σb 490～665MPa;屈服強(qiáng)度σs≥325MPa;伸長率δ5≥21%;沖擊度20。制作試驗(yàn)構(gòu)件焊接工藝是采用焊接熱源模型為高斯熱源,焊接方式為CO2氣保護(hù)焊,坡口角度為45°,分4道焊,具體焊接參數(shù)如下:焊接電流為170～550A;焊接速度v=5mm/s;焊絲為直徑4mm的H 10Mn2焊絲。試驗(yàn)構(gòu)件的模型簡圖如圖1所示,試件模型節(jié)點(diǎn)劃分圖如圖2所示。

表1 試驗(yàn)材料尺寸和數(shù)量

圖1 對接焊縫幾何模型簡圖

圖2 模型節(jié)點(diǎn)劃分圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)采用柔軟的橡膠繩把板材試件懸掛起來,使板材試件處于一種近似的 “自由狀態(tài)”[2],力錘采用剛性錘頭,加速度傳感器安裝在試件底部中間的位置。每塊板劃分25個網(wǎng)格,36個節(jié)點(diǎn),采用橡膠繩把板材試件懸掛起來,對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐一敲擊采集數(shù)據(jù)。試驗(yàn)方案示意圖如圖3所示。

2 模態(tài)分析

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析主要分3個步驟:①通過模態(tài)試驗(yàn)FFT自譜分析得到頻率響應(yīng)函數(shù)。②通過頻率響應(yīng)函數(shù)模態(tài)擬合進(jìn)而確定模態(tài)階數(shù)。在響應(yīng)輸入和響應(yīng)輸出可以測得的情況下,即可得到頻響函數(shù)[3]。③在已知頻響函數(shù)在各階模態(tài)比較分散的情況下,采用模態(tài)擬合中的頻域法,在頻域模擬分析中,根據(jù)頻響函數(shù)曲線的峰值點(diǎn),確定模態(tài)階數(shù)。進(jìn)而求得固有頻率和模態(tài)振型等模態(tài)參數(shù),并通過模態(tài)參數(shù)的變化對試驗(yàn)板材的固有頻率進(jìn)行分析對比。

圖3 試驗(yàn)方案示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)測得的頻響函數(shù)

固有頻率是通過模態(tài)試驗(yàn)得到的模態(tài)參數(shù),是通過試驗(yàn)?zāi)軌虻玫降妮^為準(zhǔn)確的參數(shù)之一,也是獲取其他參數(shù)的基礎(chǔ)。為了得到準(zhǔn)確的固有頻率,擬把各個節(jié)點(diǎn)頻率響應(yīng)函數(shù)綜合起來考慮,通過曲線擬合方法得到一個綜合頻率響應(yīng)函數(shù),最后對該函數(shù)進(jìn)行分析得到板材試件不同模態(tài)階段的固有頻率。以其中一塊板為示例,其頻響函數(shù)顯示圖如圖4所示。

圖4 頻響函數(shù)顯示圖

從圖4可以看出,產(chǎn)生共振的頻率是基本固定的,即激勵輸入點(diǎn)的不同,共振頻率不發(fā)生變化。因而試驗(yàn)結(jié)果符合理論假設(shè),可以確定試驗(yàn)方案可行。在得出頻響函數(shù)后,必須進(jìn)行定階,通過軟件對頻響函數(shù)進(jìn)行平均或疊加,然后人工選取產(chǎn)生了共振的頻率點(diǎn)作為模態(tài)結(jié)果。

3.2 不等厚板固有頻率對比

由于固有頻率較高的模態(tài),產(chǎn)生共振的可能性不大,而且對外界干擾比較敏感,因而僅選擇前8階模態(tài)進(jìn)行對比分析。懸掛系統(tǒng)試驗(yàn)中厚板模態(tài)頻率值如表2所示。

表2 懸掛系統(tǒng)試驗(yàn)中厚板模態(tài)頻率值

通過表2可以看出,殘余應(yīng)力[4]對中厚板固有頻率影響不大;在焊接殘余應(yīng)力作用下,中厚板的固有頻率有所提高,隨著板厚的增加板材的固有頻率增大;在相同階數(shù)情況下,隨著板厚的增加,焊接殘余應(yīng)力對板材的固有頻率影響率減小。

圖5 中厚板前4階模態(tài)振型

3.3 中厚板前4階模態(tài)振型

通過DASP V10軟件數(shù)據(jù)采集和信號處理分析,計(jì)算模擬焊接中厚板前4階試驗(yàn)振型圖如圖5所示。

從圖5可以看出,由于中厚板在焊接處焊縫材質(zhì)差異和焊接殘余應(yīng)力的作用,前4階模態(tài)振型圖沒有明顯突變,而且與有限元計(jì)算振型吻合良好。因此,通過該試驗(yàn)無法檢測到中厚板焊接對其振型的影響。

3.4 不等厚度中厚板固有頻率

3種尺寸規(guī)格中厚板所測得固有頻率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

通過圖6可知,3組不同試驗(yàn)厚度板材中的模態(tài)頻率基本一致;隨著中厚板的厚度的增加,板件自振頻率隨之增加;隨著中厚板厚度的增加,殘余應(yīng)力對中厚板固有頻率影響減弱。

圖6 中厚板與焊接板頻率對比分析圖

3.5 不等厚度中厚板阻尼比

通過試驗(yàn)得到3種不同厚度的對比板與焊接中厚板阻尼比分析圖如圖7所示。

從圖7可以看出,同規(guī)格焊接中厚板的阻尼比明顯大于對比板的阻尼比,且前4階的阻尼比作用較明顯 (焊接中厚板阻尼比較對比板明顯增大)。

圖7 3種不同厚度對比板與焊接中厚板阻尼比分析圖

[1]Xiao Yang yang,Takuro Amano,Yutak a.Application of modal analysis by transfer function to nondestructive testing of wood II:modulus of elasticity evaluation of sectionsof differing quality in a wooden beam by the curvature of the flexural vibration wave[J].Journal of Wood Science,2003,49(5):140-144.

[2]李德葆,陸秋海.實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[3]張子明,杜成斌,周星德.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[4]佘昌蓮.焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力研究 [D].武漢:武漢理工大學(xué),2006