（光学工程专业论文）拼焊板力学性能及其耐撞性仿真研究.pdf

拼焊板力学性能及其耐樟r 丰仿真研究 摘要 拼焊板结构可以降低燃油消耗和减少污染排放，因此在汽车轻量化设计中运 用的越来越广泛。前纵梁作为汽车前碰撞中主要的吸能部件，它的变形模式和吸 能特性决定着汽车车身加速度和力的传递路径。本文选取与汽车前纵梁的结构和 失效状态相似的拼焊板薄壁方框梁作为研究对象，对其力学性能和耐撞性进行仿 真研究。 首先，根据金相试验和硬度试验将拼焊板分为焊缝区、热影响区和母材区， 利用d i c 技术和硬度试验获得焊缝和两个热影响区域的材料参数。将该方法得到 的材料参数代入到仿真模型中进行实例验证，结果表明该方法比传统方法具有更 好的精度。 然后，建立了台车拼焊板方框梁碰撞仿真实验模型，通过仿真对比实验，确 定了一种适用于碰撞中的混合焊缝区域。针对同厚异材的拼焊板，研究了壳、刚 性连接、单层梁和共节点这四种焊缝模型；针对异厚异材的拼焊板，研究了实体、 刚性连接、单层梁和双层梁这四种焊缝模型。研究结果表明：壳单元模型和双层 梁单元分别适合于同厚异材和异厚异材的拼焊板焊缝区域的模拟。 最后，通过对影响拼焊板方框梁耐撞性的因素研究，确定了当焊缝位置为 2 6 0 m m ，焊点间距为4 0 m m ，以及采用拼焊结构时，拼焊板方框梁的耐撞性较好。 本文提出了一种准确获取焊缝区域材料参数的方法，确定了一种适用于碰撞 的混合焊缝区域，同时也对同厚异材和异厚异材的拼焊板焊缝模型分别进行了研 究，最后对影响拼焊板方框梁碰撞仿真结果的因素进行了分析研究，本文的研究 对于提高拼焊板方框梁的碰撞仿真分析水平有一定的指导意义和一定的工程运用 价值。 关键词：拼焊板；耐撞性；力学性能；方框梁；数字图像相关；硬度；焊缝模型 硕十学位论文 a b s t r a c t t h et a i l o r w e l d e db l a n k ss t r u c t u r ec a nd e c r e a s et h ef u e l c o n s u m p t i o n a n d e m i s s i o np o l l u t i o n s ot h eu s eo ft a i l o r - w e l db l a n ki nt h ea u t o m o t i v el i g h t w e i g h t d e s i g nb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e l y ，t h ef r o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a mi sap r i m a r yp a r t f o r e n e r g ya b s o r p t i o n i nt h ef r o n t a lc r a s h t h e e n e r g ya b s o r p t i o na b i l i t y a n d d e f o r m a t i o nm o d eo ft h ef r o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a mc a na f f e c tt h ev e h i c l ea c c e l e r a t i o n r e s p o n s ea n dt h ef o r c et r a n s f e rr o u t ei nf r o n t a li m p a c t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rc h o o s e s t h et a i l o r w e l d e db l a n k st h i n w a l l e db o xb e a mw h o s es t r u c t u r ea n dt h es t a t eo ff a i l u r e i ss i m i l a rt ot h ef r o n t a ll o n g i t u d i n a lb e a ma st h es t u d yo b je c t t h em e c h a n i c a l p r o p e r t ya n dc r a s h w o r t h i n e s ss i m u l a t i o nt e c h n i q u eo ft h et a i l o r - w e l d e db l a n kh a s b e e ns t u d i e d f i r s t l y ，a c c o r d i n gt o t h ed i ct e c h n i q u et e s ta n dh a r d n e s st e s t ，t h em a t e r i a l p a r a m e t e r so fw e l dz o n ea n dt w oh e a ta f f e c t e dz o n e sa r eo b t a i n e dw i t ht h ed e r i v e d t h e o r e t i c a lf o r m u l a e x a m p l e sb a s e do nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sa r e u s e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h i sm e t h o di nt h i sp a p e r ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e f i n e dm e t h o di sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d t h e n ，af em o d e lo fab o xb e a mi ns l e dc r a s ht e s th a v eb e e nb u i l t ah y b r i dw e l d l i n em o d e lh a sb e e nb u i l t a n dt h ea c c u r a c yo ft h i sm o d e lh a sb e e nv e r i f i e d t ot h e t a i l o r w e l d e db l a n kw i t ht h es a m et h i c k n e s sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，t h es h e l lm o d e l ， t h er i g i dl i n k sm o d e l ，t h eb e a mm o d e la n dt h ec o i n c i d e n tn o d e sm o d e lh a v eb e e n r e s e a r c h e d ，t ot h et a i l o r w e l d e db l a n kw i t ht h ed i f f e r e n tt h i c k n e s s a n dd i f f e r e n t m a t e r i a l s ，t h es o l i dm o d e l ，r i g i dl i n k sm o d e l ，t h eb e a mm o d e la n dt h et w ol a y e r s b e a m sm o d e lh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h es h e l lm o d e l s u i tt h et a i l o r w e l d e db l a n kw i t ht h es a m et h i c k n e s sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，t h et w o l a y e r sb e a m sm o d e ls u i tt h et a i l o r - w e l d e db l a n kw i t ht h ed i f f e r e n tt h i c k n e s sa n d d i f f e r e n tm a t e r i a l s f i n a l l y ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r st ot h ec r a s h w o r t h i n e s so ft h eb o xb e a mi ns l e d c r a s ht e s tw e r ea n a l y z e di nt e r m so ft h ew e l dl i n el o c a t i o n 、t h es p o tw e l ds p a c ea n d w e l ds t r u c t u r e t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ew e l dl i n el o c a t i o ni s2 6 0 m m 、t h e s p o tw e l ds p a c ei s4 0 r a ma n dw e l ds t r u c t u r e ，t h ec r a s h w o r t h i n e s so f t h eb o xb e a mi s b e t t e r i nt h i si n v e s t i g a t i o n ，ar e f i n e dm e t h o dt oi d e n t i f yt h em a t e r i a lp a r a m e t e r so ft h e w e l dl i n eb a s e do nt h ed i ct e c h n i q u ea n dh a r d n e s st e s ti sp r o p o s e d ah y b r i dw e l d 1 1 1 拼焊板力学性能及其耐搏性仿真研究 l i n ez o n eh a sb e e nb u i l t t h ew e l dl i n em o d e l sw i t ht h es a m et h i c k n e s sa n dd i f f e r e n t m a t e r i a l s t h ew e l di i n em o d e l sw i t ht h ed i f f e r e n tt h i c k n e s sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a l s h a v eb e e nr e s e a r c h e d f i n a l l y ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r st ot h es i m u l a t i o np r e c i s i o no ft h e b o xb e a mi ns l e dc r a s ht e s tw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t sf r o mt h i ss t u d ya r eu s e f u lt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fa n a l i t yo fa n a l y s i so ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，a n dt h e i n v e s t i g a t i o nh a sac e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o re n g i n e e r i n ga n a l y s i s k e yw o r d s ：t a i l o r - w e l d e db l a n k s ；c r a s h w o r t h i n e s s ：m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；b o xb e a m ； d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n ；h a r d n e s s ；w e l dl i n em o d e l 硕l j 学位论文 插图索引 图1 1 拼焊板在某典型车身零件上的运用l 图2 1 不同单元大小的壳单元1 1 图2 2 变形物体与刚性墙平面一1 3 图2 3 单元沙漏模式1 4 图3 1 焊缝材料参数识别流程图1 9 图3 2 激光拼焊双相钢的金相微观结构变化1 9 图3 3 硬度测试示意图一2 0 图3 4 激光拼焊板( d p 9 8 0 d p 6 0 0 ) 的显微硬度分布图2 0 图3 5 拼焊板试件的分区c a d 示意图2 l 图3 6 同厚异材拼焊板( d p 6 0 0 和d p 9 8 0 ) 2 l 图3 7 拉伸实验拼焊板试件2 2 图3 8 数字图像相关测试系统2 2 图3 9 颈缩时危险点处宽度方向的主、次应变2 3 图3 1 0 拼焊板有限元模型2 3 图3 1 l 拼焊板有限元仿真与实验载荷位移曲线比较2 4 图3 1 2 不同时刻d i c 技术和有限元仿真得到的塑性应变分布图2 4 图4 1 方框梁2 7 图4 2 台车碰撞试验的有限元模型2 7 图4 3 拉伸实验2 8 图4 4d p 6 0 0 和d p 9 8 0 的真实应力应变曲线2 9 图4 5d p 6 0 0 板材的焊点拉伸试验2 9 图4 6d p 6 0 0 板材的焊点拉伸试验中力位移曲线3 0 图4 7 共节点焊缝有限元模型。3 0 图4 8 刚性连接焊缝有限元模型3l 图4 9 梁单元焊缝有限元模型3 l 图4 10 双层梁焊缝有限元模型3 2 图4 11 两个梁单元的局部坐标系3 2 图4 1 2 不等厚拼焊板的横截面形状3 3 图4 1 3 双层梁焊缝单元模拟方法截面示意图3 3 图4 1 4 实体单元焊缝有限元模型3 3 图4 1 5 连接方式示意图3 4 图4 1 6 第三种和第四种连接方式示意图3 5 拼焊板力学性能及其耐掩性仿真研究 图4 1 7 实体焊点单元3 6 图4 1 8 拼焊板方框梁有限元模型3 7 图4 1 9 不同实验模型的拼焊板方框梁变形过程图3 9 图4 2 0 台车加速度曲线3 9 图4 2 l 拼焊板方框梁吸能量3 9 图4 2 2 同厚异材拼焊板方框梁有限元模型4 0 图4 2 3 同厚异材拼焊板不同的焊缝模型变形模式图4 l 图4 2 4 台车加速度曲线4l 图4 2 5 拼焊板方框梁梁吸能量4 2 图4 2 6 异厚异材拼焊板焊缝有限元模型4 3 图4 2 7 异厚异材拼焊板不同的焊缝模型变形模式图4 3 图4 2 8 台车加速度曲线4 4 图4 2 9 拼焊板方框梁梁吸能量4 4 图5 1 拼焊板方框梁焊缝的不同位置4 6 图5 2 不同焊缝位置的拼焊板方框梁最终变形图一4 7 图5 3 台车加速度曲线4 7 图5 4 方框梁吸能曲线图4 7 图5 5 不同的焊点间距的拼焊板方框梁模型图4 8 图5 6 不同焊点间距的拼焊板方框梁最终变形图4 8 图5 7 台车加速度曲线4 8 图5 8 吸能量血线j 4 8 图5 9 方框梁模型图4 9 图5 1 0 方框梁最终变形图4 9 图5 1 1 台车加速度曲线5 0 图5 1 2 吸收能量曲线5 0 硕上学位论文 附表索引 表3 1 拼焊板各区域材料参数2 3 表4 1 不同焊缝仿真模型的计算结果4 4 i x 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 研究背景 2 l 世纪以来，世界汽车保有量增速日益加快，但汽车工业也面对着一系列的 问题，节能和环保成为了汽车工业的两大核心问题。据有关资料统计，汽车每减 轻重量1 0 ，汽车的燃油消耗量可以减少6 - 8 。因而，汽车轻量化成为了解决 汽车工业节能和环保这两大核心问题的最基本的途径之一，汽车轻量化也成为了 2 1 世纪世界汽车技术的热点和前沿。2 0 11 年全年全球汽车产量为8 0 1 0 万辆，比 2 0 1 0 年汽车产量增加了3 ，创全球汽车产量的历史最高水平，其中亚洲国家的汽 车产量居各大洲之首，中国以1 8 4 0 万辆的全年总产量成为了世界上最大的汽车生 产国陋1 。可见汽车减重对节能和环保的意义非常巨大。而我国在汽车轻量化研究 方面还处于起步阶段，必须研发和应用更为有效的轻量化结构，大力开展汽车轻 量化相关研究，缩小与世界发达国家的差距。 汽车轻量化主要有两大途径：一是汽车结构轻量化，即通过对汽车结构进行 优化，使汽车部件中空化和薄壁化；二是材料轻量化，即采用轻量化的材料( 如 高强钢、铝镁合金、工程塑料和碳纤维等复合材料) ，使汽车部件轻量化口1 。而 最近几十年发展起来的拼焊板技术( t a i l o r w e l d e db l a n k ，简称t w b ) 既可以通 过对零件的复合化，使得汽车零件数量减少，又可以采用轻量化材料对零件进行 局部加强，可以说集合了上述两大途径的优点，具有非常好的应用前景，因而在 汽车工业得到了广泛的应用。拼焊板是将几块不同材料、不同厚度和不同表面涂 层的板料通过焊接技术形成一块整体板料，再对其进行冲压成形，以满足汽车不 同位置上的零部件的性能要求h 1 。 减 奎 发 前纵梁 地板前门内板 图1 1 拼焊板在某典型车身零件上的运用 图1 1 所示，拼焊板在某典型车身上的运用，主要包括：前纵梁、保险杠、a 拼焊板力学件能及其耐掩性仿真研究 柱、b 柱、顶盖加固板、后车门内板、前车门内板等零件。 拼焊板在汽车上的应用历史可以追溯到上世纪6 0 年代，日本本田汽车公司利 用拼焊技术制造出了世界上第一块汽车侧围板。但是由于当时拼焊技术还不够成 熟，因而这项技术尚未得到各汽车企业的重视。到了上世纪的8 0 年代，由于环境 保护和石油资源的紧张，各大汽车企业都在寻求一项能够很好的解决这些问题的 技术，随着焊接技术和冲压技术的日益成熟，拼焊板作为一项新技术，美国通用 汽车公司、日本丰田汽车公司、瑞典沃尔沃汽车公司等纷纷在汽车车身零件中运 用拼焊板技术，通过长期的技术攻关，该技术已经在非常多的车型设计中得到了 成功应用，取得了显著的经济效益。在国内，这项技术在近十年中也得到了大量 的运用，上海通用将该项技术运用于前后门内板、中立柱、纵梁等零件，一汽大 众运用于前后门内板、前围挡板、前地板等零件，东风日产运用于地板、纵梁等 零件，自主品牌如奇瑞，其纵梁和b 柱也大量应用了这项技术。在1 9 9 8 年3 月， 日内瓦汽车展览会上展出了超轻型钢车身，简称u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e la u t o b o d y ) i s - 7 。该车身采用薄低合金钢板以及不同钢号等级和厚度钢板制成拼焊板零 件，得到重量轻、安全性更好的车身结构。采用c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ， 计算机辅助工程) 分析技术和碰撞实验，将这些拼焊板车身结构与当前普遍的四 门中型轿车进行试验对比，结果表明，这些车身结构重量降低了2 5 ，抗扭刚度 提高了6 5 ，振动特性改善了3 5 ，弯曲刚度也在一定程度上得到了提高。 根据2 0 1 0 年全国道路交通事故情况呻1 ，全年，涉及人员伤亡的道路交通事故 2 1 9 5 2 l 起，造成6 5 2 2 5 人死亡、2 5 4 0 7 5 人受伤，直接财产损失9 3 亿元。而有统 。计数据表明1 ，正面碰撞的乘员死亡率要高于侧面碰撞。因此，如何最大程度上 减少汽车正面碰撞事故中乘员的伤亡成为了一个非常严峻和重要的问题。 在汽车正面碰撞中，决定车辆前部正面碰撞吸能性的主要是前纵梁、发动机 罩、吸能盒、翼子板等前部钣金部件。其中，以前纵梁的吸能最为突出，试验研 究表明，当汽车发生4 8 k m h 的正面碰撞时，其前纵梁可以吸收约5 0 一7 0 的 碰撞能量n0 1 ，因而，针对汽车正面碰撞的车身耐撞性的首要任务便是前纵梁的耐 撞性研究。 尽管拼焊板零件已经在汽车上得到了大量的应用，但其关键技术如焊缝力学 性能、拼焊板母材的匹配和焊缝位置等的确定主要依靠工程经验，而这些经验常 掌握在国外少数汽车企业手里。随着计算机性能大幅提高和c a e 技术发展越来越 成熟，c a e 技术在汽车研发中运用的越来越广泛。与传统试验方法相比，该方法 的优点在于能在设计阶段变可以评估汽车的耐撞性能，并且可以找出原始设计的 薄弱环节，另外，汽车新车型的研发周期、试验次数和开发费用都可以大幅减少， 而汽车的安全性却可以获得极大的提高。汽车前纵梁的结构和失效状态与薄壁方 框梁极其相似，故可选用能代表前纵梁的薄壁方框梁来研究材料特性和结构变形 2 硕j 二学位论文 之间的关系，研究结果可用于纵梁的安全设计n 。 1 1 2 研究目的与意义 目前，拼焊板方框梁结构相比较传统方框梁结构具有诸多优势和广泛的应用 前景，但目前有关于拼焊板的研究大部分集中于冲压成形工艺方面n 2 州，如何研 究汽车拼焊板方框梁的力学性能和耐撞性将是一种新的挑战，主要有以下三个原 因： ( 1 ) 焊缝的力学性能如何准确获得 由于焊缝的宽度太小，在碰撞仿真分析中，常将焊缝进行忽略处理。实际上， 板料在形成拼焊板的过程中，由于材料经过高温处理，焊缝处的材料发生了相变， 其材料参数发生了很大的变化，即焊缝的力学性能与母材相比，有很大的差别， 一般其硬度会变增大，塑性会减小，因而忽略焊缝处材料参数将会给仿真带来极 大的误差，减低整车碰撞仿真的精度。 ( 2 ) 基于碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元模型 对于碰撞仿真中的拼焊板焊缝单元建模，主要存在以下三个问题：1 ) 由于焊 缝的宽度太小，已有的面向拼焊板冲压成形的焊缝有限元模型并不适合于汽车碰 撞仿真n 引；2 ) 目前整车碰撞中焊缝区域常采用共节点连接或刚性连接进行模拟， 而这种焊缝有限元模型在断裂模拟方面的稳定性和可靠性都不高，最终影响碰撞 仿真精度；3 ) 精度和效率是c a e 分析中一对矛盾体，如何在保证精度的前提下， 最大程度的减少拼焊板方框梁的碰撞分析时间成本。因此非常有必要研究在兼顾 效率和精度的条件下，对基于碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元模型进行研究。 ( 3 ) 影响拼焊板方框梁耐撞性的因素研究 拼焊板方框梁的碰撞仿真过程是一个有很多影响因素的仿真数值计算过程， 而这些仿真结果直接影响拼焊板方框梁的结构优化分析和耐撞性分析。如何对这 些影响因素进行研究，并最终提高拼焊板方框梁的耐撞性。 正是基于以上三个原因，本论文主要针对以下三个方面展开研究：一是利用 d i c 技术和硬度实验准确获得焊缝的材料参数；二是确定两种兼顾精度与计算效 率的焊缝有限元模型；三是对影响拼焊板方框梁耐撞性的因素进行仿真对比研究。 通过这三个方面的系统研究，对拼焊板方框梁的力学性能及耐撞性仿真研究形成 一个整体的研究框架，这对于汽车拼焊板结构碰撞仿真技术有一定的帮助，在学 术研究和工程应用方面也有一定的意义。 1 1 3 课题来源 本文研究来源于上海宝钢“基于拼焊板形式的车门系统及方框梁零件设计应 用技术研究”项目。 3 拼焊板力学f 能及j e 耐撺性仿真研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 拼焊板结构在汽车上的发展历史 拼焊板在汽车上的应用历史可以追溯到上世纪6 0 年代，日本本田汽车公司利 用拼焊技术制造出了世界上第一块汽车侧围板。但是由于当时拼焊技术还不够成 熟，因而这项技术尚未得到各汽车企业的重视。到了上世纪的8 0 年代，由于环境 保护和石油资源的紧张，各大汽车企业都在寻求一项能够很好的解决这些问题的 技术，随着焊接技术和冲压技术的日益成熟，拼焊板作为一项新技术，美国通用 汽车公司、日本丰田汽车公司、瑞典沃尔沃汽车公司等纷纷在汽车车身零件中运 用拼焊板技术，通过长期的技术攻关，该技术已经在非常多的车型设计中得到了 成功应用，取得了显著的经济效益。在国内，这项技术在近十年中也得到了大量 的运用，上海通用将该项技术运用于前后门内板、中立柱、纵梁等零件，一汽大 众运用于前后门内板、前围挡板、前地板等零件，东风日产运用于地板、纵梁等 零件，自主品牌如奇瑞，其纵梁和b 柱也大量应用了这项技术。在1 9 9 8 年3 月， 日内瓦汽车展览会上展出了超轻型钢车身，简称u l s a b ( u l t r al i g h ts t e e la u t o b o d y ) 睛7 1 。该车身采用薄低合金钢板以及不同钢号等级和厚度钢板制成拼焊板零 件，得到重量轻、安全性更好的车身结构。采用c a e 分析技术和碰撞实验，将这 些拼焊板车身结构与当前普遍的四门中型轿车进行试验对比，结果表明，这些车 身结构重量降低了2 5 ，抗扭刚度提高了6 5 ，振动特性改善了3 5 ，弯曲刚度 也在一定程度上得到了提高。 德国的蒂森克虏伯公司从1 9 8 5 年开始生产汽车拼焊板，截止到1 9 9 9 年共拥 有2 4 条拼焊板生产线，仅2 0 0 4 年就生产拼焊板5 9 万吨，位居世界第一位。目前， 蒂森克虏伯公司新开发了带卷拼焊生产技术，它可以将不同厚度、不同钢种和不 同涂层的成卷带钢拼焊起来，用于汽车零部件的加工。2 0 1 0 年，中国汽车的产销 量已经突破1 8 0 0 万量，成为世界第一。因此，中国的汽车企业对拼焊板钢板的潜 在需求量非常巨大，市场前景非常广阔。 作为一种先进的技术，虽然国内大部分新车型都开始用上了拼焊板，但参考 先进车型设计中应用的拼焊件数量和品种，如一汽轿车的m 6 轿车拼焊板使用量 多达1 5 个零件，国内大部分自主设计车型应用拼焊件数量太少，还只是局限在少 量典型件如门内板、纵梁等部件，车型主要还局限于轿车。 在我国，上海宝钢对激光拼焊板的研究非常重视，其对拼焊板生产的研究和 应用最为积极。作为国内最早开展激光拼焊板研究和应用的公司，从1 9 9 1 年开始， 上海宝钢就对拼焊板技术进行了大量的跟踪研究。在1 9 9 9 年，上海宝钢技术中心 引进了激光拼焊板试验研究装置，对激光拼焊板的相关技术进行研究。结合生产 应用需要，宝钢先后开展了“激光拼焊板焊接工艺 、“激光拼焊板成形仿真 4 硕上学位论文 “激光拼焊板冲压特性等项目的拼焊板应用研究。另外，宝钢还与多家汽车厂 合作开展了一些新车型的拼焊板设计试制生产等工作。 宝钢作为国内最大的激光拼焊板生产商，自2 0 0 4 年开始激光拼焊板生产以 来，随着国内近年来汽车制造业的快速发展，激光拼焊板需求呈现跳跃式增长， 宝钢0 5 年激光拼焊板只投产2 个生产厂4 条生产线，生产2 0 0 来万片，到目前宝 钢快速增长到8 个生产厂2 0 条生产线，产能达2 0 0 0 多万片，占据国内拼焊板7 0 以上的市场份额，并且近两年还将增加多条生产线。目前国内大部分轿车、部 分客车和卡车的很多重要零部件都应用上了激光拼焊板，其中大部分都是宝钢生 产。 1 2 2 拼焊板焊缝材料参数的准确获得 目前，国内外有关拼焊板力学性能研究的报道较多，并取得了一定的研究成 果。a b d u l l a h 等n 鲫利用混合法，通过拉伸试验和硬度试验，得到了拼焊板( 母 材为a i s i1 0 0 5 和s t ma 3 7 0 ) 焊缝区域的材料参数；k i m 等乜们对混合法进行了 改进，同时考虑焊缝和热影响区域( h a z ) 材料特性，获得了拼焊板试件各区域 的材料参数。香港理工大学的c h c h e n g 等乜利用激光在焊缝区域打上直径为 1 m m 和深度为1 0 u m 的圆形栅格，并且为了尽量减少母材和h a z 区域的影响， 其切割出的拉伸试件宽度只有1 5 2 m m ，在拉伸的过程中，利用一个实时摄像记 录系统，记录下试件上的栅格变化和拉伸机的载荷变化，利用塑性体积不变假设 和塑形力学公式，可以得到焊缝区域的真实应力应变曲线。a r e i s 等乜2 3 利用屈服 应力和材料硬度的比值关系，得到低碳钢拼焊板各区域的材料力学参数。z h a n 等 乜3 1 利用混合法和硬度试验分别得到了拼焊管道的焊缝和热影响区的材料参数。张 士宏等乜们通过横向和纵向拉伸试验对拼焊板的塑性变形能力进行了测试和分析 研究。同济大学的林建平乜5 1 基于焊缝和母材应变相等的假设，研究焊缝强度系数 k 和焊缝硬化指数以对拼焊板试件抗拉强度和平均延伸率的影响。基于上述方法 中忽略热影响区影响和焊缝宽度较难确定等缺陷，急需一种相对简单并容易实现 的方法对焊缝处的材料参数进行识别。随着光学散斑技术的发展，d i c ( d i g i t a l i m a g ec o r r e l a t i o n ，数字图像相关) 技术在各个领域得到了大量的运用。国内外也 有很多研究人员对该技术展开了相应的研究，比如s b r a u s e r 等陋引利用d i c 技术 记录了焊点的局部和全场应变分布；t u n g 等心7 1 利用d i c 技术获得各向异性的铝 板的弹性模量，并将其进行了实验验证。；陆鹏等口刚利用d i c 技术对焊点在均匀 热载荷下的变形进行了分析。因此，有必要对d i c 技术准确获得焊缝区域的材料 参数作进一步的研究。 1 2 3 基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元模型研究 目前存在的焊缝单元模型都是针对拼焊板冲压成型仿真研究的，常用焊缝单 拼焊板力学t 牛能及其耐搏性仿真研究 元建模方式包括共节点连接、刚性连接、壳单元连接、单层梁单元连接、双层梁 单元连接和实体单元等，按照其各自的特征进行分类，大致可以分为两大类，一 类是忽略焊缝材料属性和几何特征的焊缝，如共节点连接和刚性连接，其中最常 见使用的是一组刚性单元来连接两块不同的拼焊板母材陋3 引；另一类是考虑焊缝 的材料属性和几何类型的焊缝单元模型，如单层梁单元连接、壳单元连接、双层 梁单元连接和实体单元，其中，n a k a g a w a 等人口们利用单层梁单元来模拟焊缝， 母材用壳单元模拟，j a i n 口印将母材和焊缝都利用实体单元来进行模拟，s c o t t 汹1 将 母材用壳单元进行仿真，焊缝利用实体单元进行仿真，利用l s d y n a 软件中的插 值函数来限制焊缝和母材之间的运动，施欲亮n 引利用双层梁单元对焊缝进行了模 拟仿真，将母材利用壳单元进行模拟仿真。 在利用l s d y n a 进行整车碰撞仿真计算时，时间步长由全局模型最小单元尺 寸决定，最小单元尺寸越小时间步长越长，为了避免计算时间过长，因而在汽车 碰撞仿真中，整车划分的最小单元网格一般为5 1 0 m m ，而冲压成型仿真中，由 于模型规模相对于整车模型来说，比较小，因而板料可以用很小的网格来进行划 分，这便是拼焊板单元模型在整车碰撞仿真和冲压成形反正的最大区别。在上述 焊缝模拟单元类型中，共节点连接和刚性连接计算效率最高，但是忽略了焊缝几 何形状和材料属性，容易带来比较大的计算误差。单层梁单元和壳单元只适合等 厚拼焊板焊缝的建模，利用实体单元对焊缝进行建模，过程比较复杂，而且计算 效率很低，并且焊缝的宽度太窄，容易导致网格宽度比过大而造成计算不稳定， 双层梁单元能够很好的模拟焊缝的几何形状和材料参数，并且计算效率也比较高， 但是双层梁单元建模比较复杂。因而，针对上述焊缝建模方式，有必要对这些建 模方式进行进一步的研究，以提高拼焊板模拟仿真的精度。 1 2 4 影响拼焊板方框梁耐撞性的因素研究 拼焊板方框梁的耐撞性受到很多因素的影响，而这些因素直接影响拼焊板方 框梁的结构优化分析。国内外有很多学者都对其进行了研究：vt a r i g o p u l ab 做 了一组帽形管状结构实验，得到了单位质量结构的吸能量和板厚的关系：s p a r k e 3 町 研究了薄壁直梁的截面形状对碰撞力影响；高广军b 钔对多胞结构中的蜂窝形式和 方管组合形式做了仿真研究，研究前纵梁的不同的结构形态对于吸能能力的影响； 胡玉梅0 1 和钟志华h 研究了诱导槽的位置、形状和大小对前纵梁等薄壁梁吸能特 性的影响；白中浩23 对前纵梁的截面形状进行了研究，提出了一种截面为八边形 的逐级吸能纵梁；p e r o n il o r e n z o 3 1 对采用点焊、激光焊接和粘结剂粘接等连接方 式对于不同截面形状的前纵梁试件吸能性的影响研究，研究各种不同的连接方式 对于前纵梁吸能性的影响。 拼焊板方框梁的碰撞仿真是一个非常复杂的过程，有很多因素都将影响拼焊 6 硕l j 学位论文 板结构的耐撞性，而这些因素直接影响方框梁的的结构分析和改进。因此，非常 有必要对影响拼焊板方框梁耐撞性的因素进行研究。 1 3 本文研究目的和主要内容 本文在充分研究了国内外有限元技术及其相关学科研究基础上，对拼焊板方 框梁的耐撞性仿真技术进行了研究。首先通过深入研究汽车耐撞性数值仿真方法 的一些基本理论和相关的算法，为拼焊板方框梁的耐撞性研究提供充分的理论基 础；其次利用d i c 技术和硬度实验准确获得焊缝区域的材料参数，以便于在下一 步的焊缝有限元建模过程中输入准确的材料参数；然后分别对同厚异材拼焊板的 焊缝模型和异厚异材的焊缝模型进行了建模研究：最后研究了影响拼焊板耐撞性 的因素。 全文共分为五章，具体内容如下： 第一章：首先阐述了本文的研究背景，指出对拼焊板的耐撞性仿真研究的必 要性和重要性。其次说明了本文的研究目的和意义，提出了现在拼焊板耐撞性研 究的三个难点，针对这三个难点，提出了相应的解决办法。 第二章：重点阐述了汽车耐撞性数值仿真方法的一些基本理论和相关的算法， 其设计到的内容主要包括：有限元中心差分方法、时间步长控制和质量缩放、接 触一碰撞处理和沙漏控制等，对这些理论和算法充分的掌握和理解，是进行汽车 耐撞性研究的前提条件。 第三章：提出了一种基于d i c 技术和硬度试验的焊缝材料参数识别方法。首 先根据金相试验和硬度试验将拼焊板分为焊缝区、热影响区和母材区，并采用d i c 技术和硬度试验分别获取拼焊板各区域的主次应变值和硬度值。然后根据塑性力 学理论推导出应变硬化指数n 值与主次应变值的计算公式以及强度系数k 值与硬 度值的计算公式。通过推导出的理论计算公式，分别求出焊缝区和两个热影响区 的材料参数。实例验证表明，该方法比传统方法具有更好的精度，这种方法获取 焊缝的材料参数，方法简单、快速、精度高，可以应用于c a e 中像焊缝这种较小 区域的材料参数的准确获取，具有一定的工程实用价值。 第四章：建立了台车拼焊板方框梁碰撞仿真实验模型，对六种焊缝有限元模 型进行了深入研究，通过仿真对比实验，确定了一种适用于碰撞中的混合焊缝区 域。针对同厚异材的拼焊板，研究了壳、刚性连接、单层梁和共节点这四种焊缝 模型；针对异厚异材的拼焊板，研究了实体、刚性连接、单层梁和双层梁这四种 焊缝模型。研究结果表明：壳单元模型和双层梁单元分别适合于同厚异材和异厚 异材的拼焊板。 第五章：对焊缝距离前端的距离为1 4 0 m 、1 7 0 m m 、2 0 0 m m 、2 3 0 m m 、2 6 0 m m 五种焊缝位置的拼焊板方框梁的耐撞性进行了研究，通过这五个焊缝位置的研究 7 拼焊板力学性能及其耐撞性仿真研究 确定：焊缝位置为2 6 0 m m 时，方框梁的耐撞性较好；针对焊点的间距为2 0 m m 、 3 0 m m 、4 0 m m 、5 0 m m 这四种情况进行了研究，仿真结果表明：焊点间距为4 0 m m 的方框梁耐撞性较好：针对采用拼焊板结构和不采用拼焊板结构的方框梁进行耐 撞性研究，结果表明：采用拼焊结构的方框梁耐撞性较好。因此，当焊缝位置为 2 6 0 m m ，焊点间距为4 0 m m ，以及采用拼焊结构，拼焊板方框梁的耐撞性较好。 8 硕上学位论文 第2 章汽车耐撞性数值仿真的有限元基本理论和算法 2 1 引言 在汽车工业界，汽车的轻量化研究得到了越来越多的汽车研究人员的青睐， 而耐撞安全性是汽车轻量化设计必须满足的最主要的性能之一。在计算机硬件、 软件和有限元理论发展成熟之前，汽车的耐撞性研究主要依靠实车的碰撞实验， 这种研究方法周期比较长、成本也比较高。近十年来，随着计算机硬件和软件技 术的快速升级，同时，相关的有限元理论也进一步发展成熟，c a e 分析手段被广 泛用于汽车的研发过程中，这种方式相比较实验室手段来说，既大量缩短了汽车 研发周期，又节省了经济成本。基于c a e 理论，现在已经开发了许多用于碰撞仿 真的商业软件，如l s d y n a 、p a m c r a s h 、m s c d y t r a n 等商业软件。本文的研究 采用l s d y n a 商业软件进行分析研究，因此，本章介绍的理论和算法均是基于 l s d y n a 商业软件。 本章对汽车耐撞性数值仿真的有限元基本理论和算法进行了研究。首先阐述 了有限元中心差分方法、时间步长控制和质量缩放这三个有限元基本理论，然后 介绍了薄壳单元、实体单元、接触一碰撞处理和沙漏控制这四个有限元基本算法。 2 2 有限元理论 2 2 1 中心差分方程 在计算物理和计算力学中，中心差分方程运用的最为广泛。通过对速度和加 速度中心差分公式进行发展，得到了有限元中心差分方法。其基本的理论为： 首先需要定义时间增量： ，肘j ：f 川一一f 肿i = 妻( 广1 + 广) ，f ”：，肿j f ”j ( 2 1 ) 然后关于速度的中心差分公式为： o2 暑y ”+ ；：万d + 1 - d ：士( 扩- 一d 一)( 2 2 ) t ”l l ，- n + ：、 。 通过重新排列各项，可将其转化为积分公式，如下： d ”1 = d ”+ a t2 y + - - 2( 2 3 ) 一+ 一打 则加速度中心差分公式转化为： 9 拼焊板力学性能及其耐掩性仿真研究 驴兰口n ：n + 掣；n - - - ( 2 - 4 ) t 2 t 2 月十一h 一一 将式( 2 1 ) 中出”代入上式，可以得到加速度的积分公式为： 斛三i 2月+ 一 矿= v2 + a t ”a ” ( 2 5 ) 然后将式( 2 - 2 ) 和它上一个时间步变量代入式( 2 5 ) 中。得到由位移形式 表示的加速度公式为： 驴暑扯生鲨兰窖坠盟( 2 - 6 ) a ts a t ”a t 2n 十一n 一一 在时间步长相等的条件下，上面的公式可以转化为下式： 莎三= ( d + 可l - 2 矿d + d - i ) ( 2 7 ) 对运动方程进行时间积分，可以得到以下方程： m a ”= f ”= 厂蹦( d ”，f ”) 一厂皿( d ”，) ( 2 - 8 ) 最后，将上面的方程代入式( 2 5 ) 中，得到下式： 刀十? 一一 v2 = v2 + a t “m - 1 厂” ( 2 9 ) 在任意的时间步玎，如果已知位移d ”，通过依次计算应变位移方程、本构方 程和节点外力，可以确定节点力厂”。则式( 2 - 9 ) 中右侧的全部项都可以赋值， 并可以获得矿n + - - ：。然后根据式( 2 3 ) 可以确定位移d “。 在整个有限元计算的时域范围内，均可以由上面的积分递推公式获得各个零 散时间点处的加速度、速度和位移。这种有限元计算过程即位显示积分算法。由 于该算法采用了集中质量矩阵m ，因此，上面的