（机械制造及其自动化专业论文）吸能盒焊点有限元模拟及其位置优化研究.pdf

基于汽车碰撞的焊点模拟方法研究及焊点位置优化 摘要 我国汽车的数量随着人民生活水平的提高和国内道路状况的改善而不断增加，同 时，汽车碰撞事故也成增长的趋势。在这种背景下，对汽车及车内乘员保护的重要性也 就不言而喻。汽车发生碰撞时，其车身连接的失效将严重影响整车的碰撞性能。而车身 结构中最主要的连接形式是电阻点焊，所以对焊点模拟的研究对提高汽车碰撞的模拟精 度有非常重要的意义。 本文以吸能盒的焊点为研究对象，通过对多种焊点模拟方法优劣的探讨确定不同情 况下的最佳焊点模拟方法，然后采用最佳的焊点模拟方法对焊点分布位置进行研究，通 过减少车身焊点的数量降低汽车的生产成本。具体的研究工作总结如下： 首先，采用高强度与低强度梁单元对焊点进行模拟，使用h y p e r m e s h 进行汽车吸能 装置简化模型的建立、网格的划分、各种参数的设置等操作，并导出关键字文件供 l s d y n a 3 d 软件进行计算。在吸能盒吸能特性的四个评价参数中，两个模型的最大变 形量相同、最大碰撞力相近，而最大吸能量和平均碰撞力两个参数相差非常大，说明焊 点的模拟方法对吸能装置的模拟精度有非常大的影响。 其次，以帽型梁为研究对象，使用h y p e r m e s h 建立采用九种焊点单元模拟焊点的有 限元模型。在a n s y s 中分别进行计算模拟分析后，综合考虑模拟精度、建模工作量以 及对焊点断裂的模拟情况三个因素确定最佳的焊点模拟方法，即焊点会发生断裂时使用 单个梁单元模拟焊点，而焊点不会断裂时则使用刚性梁单元。 最后，使用刚性梁单元模拟焊点，获得吸能盒对焊点密度的要求以及在o p t i s t r u c t 中使用拓扑优化技术对焊点位置的评估结果后，确定四种新的焊点分布方案。经过四个 模型碰撞模拟的结果比较，最佳焊点分布方案为6 个焊点分布方案，该方案既能满足吸 能要求，同时焊点数量也最少。 关键词：吸能盒；焊点；有限元模拟；位置优化 吸能盒焊点有限元模拟及其位置优化研究 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n dd o m e s t i cr o a dc o n d i t i o n s ，t h e n u m b e ro fc a r si nc h i n ai si n c r e a s i n gc o n t i n u o u s l y a tt h es a m et i m e ，t h e r ei sag r o w i n gt r e n d o fv e h i c l ec r a s h e s b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，i t ss e l f - e v i d e n tt h a tt h ep r o t e c t i o no fc a r sa n d p a s s e n g e r si nt h e mi sv e r yi m p o r t a n t w h e nt h ec a r sc r a s hw i t he a c ho t h e r , t h ef a i l u r eo fc a r b o d yc o n n e c t i o n sw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ec o l l i s i o n s w h i l et h e r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi st h em o s ti m p o r t a n tc a rb o d yc o n n e c t i o nm e t h o d ，s ot h es t u d yo nt h e s i m u l a t i o no fs p o tw e l di so fm o m e n t o u ss i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h es i m u l a t i o na c c u r a c yo f v e h i c l ec r a s h e s i nt h i sp a p e r , t h es p o tw e l d so ft h ev e h i c l ec r a s h b o xi ss e l e c t e da st h eo b j e c to fs t u d y , a n dt h eo p t i m a lo n ew a sf o u n do u ta c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nk i n d so fs p o tw e l ds i m u l a t i o n m e t h o d s a n dt h e n ，b a s e do nt h eo p t i m a lm e t h o d ，t h el o c a t i o no fs p o tw e l d si ss t u d i e d ，a n d t h ec a rp r o d u c t i o nc o s ti sc u td o w nb yr e d u c i n gt h en u m b e ro fs p o tw e l d s t h es p e c i f i cs t u d y w o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eh i g hs t r e n g t ha n dl o ws t r e n g t hb e a me l e m e n t sa r es e l e c t e dt os i m u l a t es p o t w e l d s 皿eb u i l d i n go fs i m p l i f i e dm o d e lo fv e h i c l ee n e r g ya b s o r b e r , m e s h i n ga n ds e t t i n go fa l l p a r a m e t e r sa r ed o n eb yu s i n gt h eh y p e r m e s hs o f t w a r e ，a n dt h ek e y w o r df d ew h i c hc a nb e u s e dt oc a l c u l a t eb yl s - d y n a 3 di se x p o r t e d a m o n gt h ef o u re v a l u a t i o np a r a m e t e r so ft h e v e h i c l ec r a s h - b o x se n e r g ya b s o r b i n gp r o p e r t y , t h et w om o d e l s m a x i m u md i s t o r t i o ni st h e s a m ea n dt h em a x i m u mc o l l i s i o nf o r c ei ss i m i l a r , b u tt h em a x i m u m e n e r g ya b s o r p t i o na n dt h e a v e r a g ec o l l i s i o nf o r c ea l es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t s os i m u l a t i o nm e t h o d so fs p o tw e l d sa r eo f v e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h es i m u l a t i o na c c u r a c yo fv e h i c l ee n e r g ya b s o r b e r s e c o n d l y , t h eb e a mw i t hh a ts e c t i o ni sc h o s ea st h es t u d yo b j e c t ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e l su s i n gn i n ef i n i t ee l e m e n t st os i m u l a t et h es p o tw e l d sa r eb u i l tw i t hh y p e r m e s h a f t e r t h ec a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o na n a l y s i si na n s y s ，c o n s i d e r i n gt h et h r e ef a c t o r si n c l u d i n g s i m u l a t i o na c c u r a c y , m o d e l i n gw o r k l o a da n dt h es i m u l a t i o no fs p o tw e l d sf r a c t u r e ，t h e o p t i m a ls i m u l a t i o nm e t h o do fs p o tw e l d si sd e t e r m i n e dt ob et h a tt h es i n g l eb e a me l e m e n t s a r eu s e dt os i m u l a t et h es p o tw e l d si ft h e ym a yf r a c t u r e ，o t h e r w i s et h er i g i db e a me l e m e n t s s h o u l db eu s e d f i n a l l y , t h es p o tw e l d sa r es i m u l a t e dw i t ht h er i g i db e a me l e m e n t s a f t e rt h ec r a s h b o x s 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 r e q u i r e m e n to ft h es p o tw e l d s d e n s i t ya n dt h ee v a l u a t i o nr e s u l t so fs p o tw e l d s l o c a t i o nb y u s i n gt h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yi no p t i s t r u c ta r eo b t a i n e d ，f o u rn e wp r o g r a m so f t h es p o tw e l d s l o c a t i o na r ed e t e r m i n e d b yc o m p a r i n gt h ec r a s hs i m u l a t i o nr e s u l t so ff o u r m o d e l s ，t h eo p t i m a lp r o g r a mo fs p o tw e l d s l o c a t i o ni st h eo n eo fu s i n gs i xs p o tw e l d s ，w h i c h n o to n l yc a nm e e tt h ed e m a n df o ra b s o r b i n ge n e r g yb u ta l s oh a st h el e a s t s p o tw e l d s k e y w o r d s ：c r a s h - b o x ；s p o tw e l d ；f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ；l o c a t i o no p t i m i z a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 1 8 8 5 年，美国人e l i h ut h o m p s o n 根据英格兰物理学家j a m e sj o u l e 发现的电阻焊原 理，制作了世界上第一台电阻焊机并获得了专利1 1 。此后，点焊工艺过程的原理和物理 本质几乎没有发生变化，但随着焊接自动化和焊接材料的不断发展变化，焊接质量越来 越高嘲，在工业生产中发挥的作用也越来越大。电阻点焊是焊接领域的一个重要组成部 分，由于其具有结构紧凑、质量轻、静强度高、可靠性好、耐腐蚀和易于实现自动化等 优点，广泛应用于汽车、航空、航天、电子、能源及轻工业等部门。现代计算机技术的 飞速发展大大提高了电阻焊机的控制水平，特别是在点焊方面，国内外许多公司已经采 用计算机控制技术来监控点焊质量，使点焊质量更加可靠同。在汽车工业中，电阻点焊 是车身结构大量金属板件间的主要连接形式，同时辅以缝焊，再使用铆钉和螺柱等连接 件连接车身的各个零部件。据统计，每一辆轿车车身上，约有4 0 0 0 - 、, 6 0 0 0 个电阻点焊 焊点川。 随着人民生活水平的不断提高以及国内道路状况的不断改善，我国汽车的数量正在 飞速的增加。与此同时，车辆碰撞事故的次数和所造成的人员伤亡及财产损失也在不断 增长。汽车的碰撞安全性也随之得到了越来越多的重视与关注。汽车碰撞研究主要包括 实车碰撞试验与模拟碰撞试验嘲：实车碰撞试验的试验结果最为准确，但试验台和实车 的成本过高，在试验结果不满足要求的情况下难以进行多次试验；模拟碰撞试验具有的 成本低、时间短、反馈快的优点弥补了其在模拟精度上的不足，是经济、有效的试验方 法，经过多次计算机模拟计算，可以得到满足要求的试验结果，并且随着计算机技术的 不断发展，模拟精度也在不断提高。 车辆安全性试验( 法规认证试验) 中的车辆碰撞性能研究是汽车碰撞研究的重要研 究内容旧。在对汽车碰撞进行试验研究时发现，汽车车身连接的失效对整车的碰撞性能 会造成非常大的影响1 7 1 。在汽车发生碰撞时，薄壁构件在强烈撞击的作用下会发生塑性 变形以实现对碰撞能量的吸收。薄壁构件的碰撞吸能状况除了与本身的壁厚、横截面、 材料有关外，还与焊点密切相关。因此，电阻点焊不仅仅是汽车制造中的一个重要装配 方式，在汽车发生碰撞时它还是影响车辆碰撞吸能的重要因素。因此对焊点模拟方法的 研究对车辆的有限元模拟有非常重要的意义。另外，在一条汽车的自动生产线上装备一 个焊点的点焊装置大概需要3 万美元捧1 。汽车车身上的焊点每增加一个，就意味着自动 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 生产线的成本要增加3 万美元。对已经建成的生产线进行改造，花费更大。所以，在汽 车的前期设计过程中，采用有限元的手段分析研究出最佳的焊点分布位置，减少车身焊 点的数量，对于降低汽车的成本有很大的作用。 1 2 汽车主动安全性与被动安全性 车辆的安全性能永远是汽车技术的焦点，主要分为主动安全( a c t i v es a f e t y ) 和被 动安全( p a s s i v es a f e t y ) 两部分。汽车主动安全性和被动安全性在保护乘员生命安全以 及降低碰撞事故所造成的损失两个方面将发挥越来越大的作用唧。汽车的主动安全性是 指汽车避免发生意外事故的能力，而汽车的被动安全性则是指汽车在发生意外事故时对 乘员进行有效保护的能力u q 。 汽车主动安全性和被动安全性都至关重要，二者有着密切的联系。但是从技术的角 度来看，它们之间也存在着显著的差别，主要表现在以下几个方面： 1 、研究范围：汽车主动安全性是以防止事故发生为重点，而被动安全性是以事故 发生后减小损失为重点。主动安全性的作用体现在事故发生前，被动安全性的作用体现 在事故发生后，所以二者在关于车辆、人、环境等方面的研究有着本质的差别。 2 、技术水平：汽车被动安全性研究的范围只限于碰撞事故发生后，由保险杠、吸 能盒等汽车缓冲吸能系统到安全带、安全气囊等乘员保护系统都已经十分成熟，目前被 动安全性研究的重点主要是在这些系统的智能化和稳定性等方面进行改进。而主动安全 性考虑的因素很复杂，每一个安全系统都要受到很多方面的限制，不但要保证车辆的行 驶安全，还要保证车辆的乘坐舒适性等，这就导致主动安全性的发展与被动安全性相比 相对滞后。 3 、普及程度：汽车主动安全性相关系统的性价比低，费用较高的电子设备并不被 消费者所接受，无法真正普及。而被动安全性相关系统的性价比相对来说较高，消费者 也较容易接受，因此包括安全带在内的被动安全装置已经普及。 1 2 1 汽车主动安全性 汽车主动安全性是指事先采取措施避免交通事故发生。汽车主动安全技术主要包括 以下几项： 1 、制动系统：制动系统对于汽车安全而言是非常重要的组成部分。与制动系统相 关的汽车装置有很多，主要包括刹车防抱死系统a b s 、刹车辅助系统b a s 、电子制动 力分配系统e b d 、驱动防滑系统a s r 等。其中，应用比较广泛的是a b s 以及辅助a b s 2 第1 章绪论 的e b d 等。a b s 的作用是防止汽车在制动过程中车轮抱死，避免汽车在制动时失去控 制，并减小制动距离。e b d 的作用是依据汽车重量和路面条件来控制制动过程，防止汽 车在制动时发生后轮先制动的情况，使a b s 能够更好的发挥作用。 2 、电子稳定系统：电子稳定程序e s p 可以显著提高汽车的控制和制动性能，该系 统可以监控汽车的行驶状态，分析各传感器传来的车辆行驶状态信息，然后自动向一个 或多个车轮施加制动力，以保持汽车在正常的车道上运行。 3 、距离控制系统：距离控制系统p d c 又叫倒车雷达，即在汽车前后保险杠上安装 的雷达探测器。该系统主要在低速行驶时发挥作用，可以在汽车与前后障碍物之间的距 离过小时，自动发出警报警示驾驶员。 4 、转向系统：转向系统在控制汽车行驶方向方面起着决定性的作用。很多汽车上 都装有助力转向装置，使驾驶员能轻松地进行汽车方向的控制。 5 、牵引力控制系统：牵引力控制系统t c s 又叫驱动防滑系统a s r 。汽车在起步或 急加速时，驱动轮会像在光滑路面上一样可能产生打滑现象，即从动轮速度低于驱动轮。 一旦出现打滑现象，t c s 通过降低发动机转速等方法降低车轮转速，提高汽车行驶稳定 性。 除此之外，汽车主动安全技术还包括自动车身水平系统a l s 、智能前大灯随转系统 a f s 、刹车探测系统p t c 等。 1 2 2 汽车被动安全性 。昝 汽车被动安全性是指汽车在发生交通事故后，能够对车内乘员和车外行人进行有效 保护，避免人员受到伤害或把伤害程度降到最低。汽车的主动安全性固然重要，但通过 交通事故原因的统计分析可以看出，以避免交通事故发生为目的的汽车主动安全性只能 够避免大约5 的交通事故的发生，绝大多数交通事故仍然无法避免，所以提高汽车被 动安全性就显得尤其重要。 车内乘员在汽车发生碰撞时受到伤害主要有以下几个原因： 1 、一次碰撞过分剧烈，导致车内乘员的加速度超过人体的承受极限； 2 、车内乘员在汽车急剧减速时仍快速运动，与汽车发生二次碰撞而受伤： 3 、汽车结构发生剧烈变形，侵入车内乘员所占空间，导致乘员受到挤压伤亡： 4 、车外刚硬物体侵入车内，给车内乘员造成挤压伤亡。 根据以上四个原因可知，要降低车内乘员所受伤害程度可以从汽车结构缓冲与吸 能、车内乘员保护两个方面着重进行考虑。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 ( 1 ) 汽车结构缓冲与吸能方面 一次碰撞在很大程度上决定了二次碰撞的强度，控制好一次碰撞对减小乘员伤害有 着非常重要的意义。汽车缓冲吸能区首先要有足够大的刚度，防止车内空间过度减小造 成对车内乘员的挤压伤害；同时，还需要汽车缓冲吸能区能产生足够大的塑形变形以吸 收足够多的碰撞动能。所以，汽车缓冲吸能区必须设计成“外柔内刚 式的结构。 汽车车身结构的防撞性能具有如下特点：由于汽车轮胎和底部高刚性结构的保护作 用，汽车抵抗下方的冲击能力非常强；汽车前部和后部空间较大，使汽车缓冲吸能区抵 抗前向碰撞与后向碰撞的能力相对较好；汽车侧向和顶部空间很小，保护结构很弱，所 以汽车抵抗侧向碰撞与上方碰撞的能力最差。 研究表明，大约7 0 的汽车碰撞都发生在汽车前部，所以汽车缓冲吸能区前部结 构的缓冲与吸能能力最为重要。汽车前部的缓冲吸能结构一般使用不同截面形状的吸能 盒即金属薄壁吸能管，如图1 1 所示。汽车吸能盒在受到轴向载荷后会产生如图1 2 所 示的折叠式塑形变形以吸收碰撞动能，将其安置于汽车前部将直接改善缓冲吸能区的总 体性能。通过改变吸能盒的截面形状、尺寸、壁厚和材料等方法，能使其具有不同的缓 冲吸能特性，以满足不同汽车结构和性能的要求。尽管吸能盒已经成为国内外的主要缓 冲吸能部件，但其他结构的缓冲吸能特性也不容忽视，例如车身骨架及其覆盖件。 图1 1不同截面吸能盒有限元模型 图1 2 矩形吸能盒折叠式塑形变形 4 第1 章绪论 另外，交通事故发生时，汽车还可能发生后撞、侧撞与翻滚的情况： 1 、汽车发生后撞时，汽车后部的缓冲吸能结构的重要性是不言而喻的，由于汽车 后部与前部结构类似，所以缓冲吸能结构也可采用类似的结构。 2 、对于侧撞而言，由于车门所占空间很小，没有足够好的材料可以满足侧撞对缓 冲吸能结构的要求，所以汽车侧面缓冲吸能结构的设计难度较大。舍弃其变形吸能的特 性，只保证车门有足够的刚度，不易变形，受撞击后易于打开，避免发生车内乘员受到 挤压伤害和被困于车内的情况。目前常用的改进方法主要是增大车门厚度和车门内部刚 度以及增加防撞梁等。同时，车门还要起到将撞击力分散的作用，将部分撞击力转移至 车身结构，以减小车门受力。 3 、如果汽车发生碰撞后翻滚，汽车车顶就很可能受到剧烈撞击。由于车顶的刚度 很低，极易发生大变形。要改善车顶的刚度特性主要是在汽车的a 柱( 即前支柱，位于 前风窗与前门之间) 、b 柱( 即中间支柱，位于前门和后门之间) 、c 柱( 即后支柱，位 于后门与后窗之间p 2 1 ) 均采用刚度较大的钢梁，使车身骨架不易变形，从而对车内乘员 起到很好的保护作用。 ( 2 ) 车内乘员保护方面 二次碰撞将直接导致车内乘员受到伤害，所以必须控制好二次碰撞。车内乘员的保 护措施主要包括安全带、安全气囊、吸能式安全转向系统和安全座椅及头枕等。 安全带的作用是使车内乘员在汽车发生碰撞时不飞离座椅与汽车方向盘、仪表盘及 挡风玻璃发生剧烈碰撞，可以有效的避免二次碰撞的发生，特别是在汽车高速行驶时， 安全带的作用更加明显。统计数据表明，佩戴安全带可以使碰撞事故中乘员伤亡率降低 3 0 p 3 l 。由于汽车碰撞时加速度一般都很大，用于约束乘员的力要足够大才能达到有效 保护的目的，所以安全带要有足够高的强度，并且其固定点和锁紧装置要在规定的极限 碰撞载荷作用下保证不失效。安全带主要有两种：预紧式安全带和限制式安全带：当碰 撞事故发生时，预紧式安全带除了对乘员产生基本的束紧外，还可以产生将安全带回拉 的拉力，避免乘员向前移动的行程过大，提高了安全性能：在碰撞事故发生时，当安全 带的约束力达到某一数值时，限制式安全带会稍许松开，使拉力不再升高，可以避免由 于安全带约束力过大造成乘员胸部及颈椎受到伤害的情况n q 。 安全气囊是作为辅助的乘员约束保护系统出现的，是避免车内乘员与汽车内部发生 直接碰撞的最有效手段。目前安全气囊已经得到了全面的普及，是否具有安全气囊已经 成为现代汽车安全性的一个重要标志。安全气囊对乘员的保护作用是相当明显的，它单 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 独使用可使事故死亡率下降1 8 左右，它与安全带配合使用可使事故死亡率下降钾左 右。安全气囊主要分为防正撞与防侧撞气囊两大类，但无论哪种气囊，都是由传感器、 控制器、气体发生器、气囊及其附件组成，如图1 3 所示。安全气囊的基本思想是：在 汽车发生一次碰撞后、二次碰撞前，快速在乘员与汽车之间打开一个充满气体的气囊， 使乘员与气囊碰撞，避免二次碰撞的发生，减轻车内乘员的受伤害程度。设计人员根据 这个思想，将安全气囊的工作原理设计为：传感器将感受到的汽车碰撞强度传输给控制 器；控制器判断是否有必要打开气囊，如果碰撞强度达到要求，则立即触发气体发生器； 气体发生器根据信号点火后迅速产生大量气体，给气囊充气使其膨胀，在乘员与汽车之 间展开充满气体的气囊，以保护乘员。安全气囊的一般设计只是汽车在发生正面碰撞时 避免车内前排乘员的头部与仪表盘、方向盘及挡风玻璃发生强烈撞击。但是在后面碰撞、 翻车及大多数侧面碰撞的情况下，安全气囊并不会被激发。随着技术的不断发展，安全 气囊的保护范围从对前排乘员的前方保护不但扩展到对前排乘员的侧面、膝部保护，还 扩展到对后排乘员的前方、侧面保护，甚至对车外行人也可以进行保护。 i气袋模块 、l 匝磊卜匿匾h 匝亟堑 厘 l 一一j 图1 3 安全气囊系统组成 吸能式安全转向系统主要解决驾驶员在汽车发生正面碰撞时与方向盘发生碰撞的 问题，主要由转向盘和压塌式转向管柱组成。压塌式转向管柱可有多种形式，其主要功 能是转向盘在其受到的碰撞力达到一定数值时，压塌式转向管柱能产生适当的塑形变 形，从而吸收汽车发生前撞时吸收来自汽车和驾驶员两方面的动能，对驾驶员起到有效 的保护作用。 汽车座椅直接关系到汽车的乘坐舒适性、方便性和安全性。汽车安全座椅主要分为 为成人配置的安全座椅和专为儿童配置的安全座椅。当汽车发生追尾汽车座椅头枕中的 主动式头部支撑系统可以保证车内乘员头部快速往后运动时，其头部获得有效缓冲与支 撑以避免乘员颈椎受到伤害。部分先进座椅甚至可以适当向后方松弛，以减少乘员与座 椅的撞击力。 随着技术的不断进步，一系列新的安全保护装置也开始得到广泛应用，例如专为儿 童设计的保护系统、紧急门锁自动释放系统、事故自动报警系统以及汽车黑匣子。所有 这些保护系统的使用，大大降低了交通事故中的人员伤亡。 6 第1 章绪论 1 2 3 汽车碰撞吸能装置简介 汽车碰撞吸能装置的吸能特性是评价汽车被动安全性的主要指标，主要包括保险 杠、吸能盒、前纵梁及相应的固定件。本文所研究的汽车吸能盒是汽车前部缓冲吸能区 的重要组成部件，当车辆与其它车辆或障碍物发生碰撞时，吸能盒吸收了很大一部分碰 撞动能，无论是对车辆本身还是车内乘员都起到了很好的保护作用。吸能盒在车体中的 位置如图1 4 所示，前端与保险杠相连，后端与汽车前纵梁相连。与一般的吸能元件不 同，吸能盒的碰撞吸能除了与本身的材料有关之外，还与其焊点、材料、壁厚、横截面 以及预变形密切相关。 图1 4 碰撞吸能装置在车体中的位置 吸能盒是通过焊点将经过冲压、弯折等冷加工变形后的金属薄板连接起来的，焊点 无法满足强度要求时将严重影响吸能盒的碰撞吸能特性。一般情况下，焊点的开裂与焊 接强度、焊接形式以及焊点的疏密程度有关。 吸能盒的壁厚与其碰撞吸能特性直接相关，在结构设计中，壁厚的选择应根据实际 情况进行考虑，壁厚太小，导致吸能盒容易变形，不具备足够的吸能能力，壁厚太大， 导致吸能盒变形太小，起不到很好的吸能作用。 不同横截面吸能盒的碰撞吸能水平也不同。研究表明，横截面为八边形的吸能盒承 受碰撞的能力大约是同等周长、长宽比为3 的矩形截面吸能盒的1 7 倍卯。如果从提高 吸能盒碰撞力的角度考虑，应该采用八边形截面吸能盒；如果需要降低碰撞力，则应该 采用矩形截面吸能盒。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 吸能盒在受到碰撞时根据边界条件、载荷条件及约束条件等会发生不同的变形，如 弯折变形、翘曲变形和折叠变形等。其中，只有折叠变形的变形量最大，最利于碰撞动 能的吸收，所以应该将吸能盒设计成折叠变形的形式。一般采用“预变形技术 ，在吸 能盒的某个位置进行弱化，使吸能盒在压缩时首先在这个位置变形，从而引导吸能盒朝 着折叠变形的方向发展。 1 3 研究现状综述 欧美等世界汽车工业发达国家和地区在上世纪6 0 年代就开始了汽车碰撞研究。进 入8 0 年代后，出现了一批用于汽车碰撞模拟的商业化软件包，主要包括l s d y n a 3 d 、 p a m c r a s h 、m a d y m o 掣坷。与此同时，欧美等国进行了一系列碰撞事故研究，分别 制定了车辆安全法规，其中主要以美国国家公路交通安全局制定的f m v s s 和欧洲经济 委员会制定的e c e 两大体系为代表，其他国家的安全法规大都是参照上述两个法规体 系制订的【1 7 1 。由于我国目前实施的是与欧洲相同的产品认证制度，我们的被动安全法规 参考欧洲的被动安全法规也就顺理成章，但是欧洲的法规又没有美国的法规完善，所以 我国强制实施的3 8 项汽车法规基本上都是以欧洲法规为蓝本，参考美国法规并结合我 国国情制定的n 弼。 我国1 9 9 9 年由原国家机械工业局颁布了汽车法规c m v d r ( c l l i 眦m o t o rv e h i c l e d e s i g nr u l e ) 2 9 4 汽车正面碰撞乘员保护的设计规则1 1 9 1 国家标准委员会分别于2 0 0 4 年6 月1 日颁布了乘用车正面碰撞的乘员保护( g b l l 5 5 1 2 0 0 3 ) ，于2 0 0 6 年1 月1 8 号颁布了汽车侧面碰撞的乘员保护( g b 2 0 0 7 1 2 0 0 6 ) 和乘用车后碰撞燃油系统安 全要求( g b 2 0 0 7 2 2 0 0 6 ) 。至此，我国已经完成汽车正面碰撞、侧面碰撞以及后碰撞的 国家强制性汽车碰撞标准体系。 1 3 1 焊点模拟方法研究方面 ( 1 ) 焊点失效将直接影响结构性能 青岛四机宏达工贸有限公司的杨望晓对汽车用不锈钢材料以及典型部位点焊接头 的剪切疲劳性能和拉剪强度进行了研究，发现质量过关的点焊接头性能满足相关标准所 规定的要求例。 同济大学的高卫民等人采用p a m g r a s h 软件对某车型进行碰撞模拟，将考虑焊 点断裂、不考虑焊点断裂的两个模拟结果与实车碰撞试验结果进行比较，发现焊点断裂 后吸能盒的吸能特性急剧下降忙1 1 。 8 第1 章绪论 m a t t e op a l m o n e l l a 等对分布大量焊点的车身进行研究，提出焊点模型的模拟方法和 建模时间非常重要，焊点模拟的成功是保证车身模拟结果正确的重要因素阎。 ( 2 ) 处理焊点的传统方法 目前应用比较广泛的焊点处理方式主要有三种旧，这三种方法各有优劣，适用的情 况也不尽相同： 1 、钢杆连接法 这种方法是在被焊接的两个零件搭接处，将对应的两个节点直接约束自由度，可以 采用三自由度( 即只限制平动自由度) 或六自由度连接，保证相互连接的两个节点在被 约束的自由度方向具有相同的位移。采用这种方法时，对应的两个节点必须不重合。这 种方法简单易行，但无法实现对焊点断裂的模拟。 2 、公用节点法 这种方法是将两个焊接零件上对应的节点合并，在焊点处采用同一节点，通过这种 方法实现两零件的连接。这种方法要求建立的有限元模型非常精确，对应的节点位置相 差很小。采用这种方法时，公用节点处零件无法分离，无法实现焊点断裂的模拟，且模 拟精度较低。 3 、公用单元法 这种方法是在焊点处建立三排实体单元，上下两排分别是两个焊接零件的一部分， 中间一排则代表焊点。由于网格尺寸越小，焊点刚度越小，越接近实际情况( 但网格尺 寸小到一定程度，刚度不再减小) ，所以采用这种方法建模工作量较大，而且有限元网 格数量较多，不适合在焊点较多的情况下使用。 ( 3 ) 处理焊点的新方法 处理焊点的传统方法都有无法避免的缺点，所以很多研究人员也在尝试对它们进行 改进，取得了一些成果： 湖南大学的何文等指出传统的钢杆连接法要求钢杆与焊接零件的单元垂直，且应该 尽量选择靠近焊点实际物理位置的节点对，这给建模提出了很高的要求，使建模时间增 加。为了解决这个问题，他们在有限元节点与单元之间引入一个短梁单元对焊点进行模 拟。采用这种方法不但保证了模拟精度，又大大减轻了工作量俐。 华南理工大学的兰凤崇等提出了使用虚拟节点法模拟焊点的方法。该方法先在实际 的焊点位置建立参考点，并沿焊接面的法线方向向两个焊接面进行投影，从而得到两个 虚拟节点，在这两个虚拟节点之间引入一个短梁单元来模拟焊点的连接关系。然后，将 9 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 每个虚拟节点与其周围节点之间建立分布耦合约束，以实现虚拟节点与周围网格的之间 的协调。采用该方法的模拟结果与试验结果一致性较好，比传统模拟方法能更有效地模 拟实际焊点的力学行为1 。 人工神经网络通过模仿人脑神经的活动，建立脑神经活动的数学模型，它的基本处 理单元是模拟人神经元的人工神经元。神经网络则是由大量的神经元连接而成的网络， 越来越多的应用于控制领域。b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 网络即前向网络是一种很有代表 性的神经网络模型。东南大学的朱壮瑞等采用多水平正交表选取b p 神经网络训练样 本的方法，在可以模拟精度的前提下，大大减少建模工作量瞄”。 上海交通大学的施欲亮等指出只考虑脆性断裂的点焊模拟方法对于传统的采用低 碳钢的汽车设计是有效的。但是随着技术的发展，高强度材料越来越多的被应用在汽车 工业，这就使焊核强度与母材想比不再占优势，在受到撞击时焊点极有可能发生塑性断 裂。所以研究人员采用弹一塑性梁接触模型来模拟焊点，即在焊点的位置以弹一塑性梁 来连接壳单元，然后以接触的方式将梁与周围单元连接。弹一塑性梁接触模型与刚性梁 连接模型相比，能够准确模拟焊点的材料特性，避免刚度过大唧。 卡西诺大学( u n i v e r s i t yo fc a s s i n o ) 的p i e t r os a l v i n i 等提出了一种新的焊点模型， 由板单元和梁单元组成，如图1 5 所示，由于其形状像雨伞，故称为伞状模型网。 幽】5 伞状模型 南卡罗来纳大学( u n i v e r s i t yo fs o u t hc a r o l i n a ) 的d x u 等描述了以单杆模型、多杆 模型、轮辐模型和实体模型等四种模型作为点焊连接模拟的方法，并指出这四种模型对 于所连接的网格要求非常严格，网格建模过程过于繁琐，特别是实体焊核模型计算效率 低下3 0 1 。 马里兰大学( u n i v e r s i t yo fm a r y l a n d ) 的e l i a sb a l a r a s 等指出对于由大量焊点连接而 成的汽车车身来说，焊点有限元模型的模拟精度非常重要，是保证汽车车身模拟仿真结 l o 第1 章绪论 果正确与否的关键技术，而且建模时间也是影响模拟仿真的重要因素之一p 。 另外，世界上先进的汽车生产企业从很早就开始了对焊点的研究工作：美国的福特 汽车公司早在上世纪7 0 年代就开始了对点焊结构截面特性进行的研究p 刁；随后通用等 其它汽车公司也相继开展对焊点模拟方面的研究例。 ( 4 ) 焊点模拟方法的比较 重庆大学的高书娜等对图1 6 所示的点焊钢板结构，分别采用b r i c k 单元、b e a m 单 元( 又分别采用单个b e a m 单元、9 个b e a m 单元、伞状b e a m 单元以及伞叫个b e a m 单元四种) 和s h e l l 单元对焊点进行建模，然后使用a n s y s 软件分别进行模态分析， 将6 组模态分析结果与试验结果相比较之后，得出如下结论：b r i c k 单元的模拟精度最 高，但其建模时间较长，且单元数量较多；b e a m 单元的模拟精度较高，且建模时间最 短；而s h e l l 单元的模拟精度偏低。同时，他们还对某型轿车进行了分析模态与试验模 态的比较：由于车身焊点非常多，采用b r i c k 单元将导致单元数量巨大，超出计算机的 计算能力；而b e a m 单元的模拟精度比s h e l l 单元高，且建模时间短，是模拟焊点的首 选刚。 图1 6 点焊钢板结构 合肥工业大学的杨年炯等采用了与高书娜类似的模型与方法，不过其模拟焊点的方 法分为单层s h e l l 单元、等效厚度s h e l l 单元、b r i c k 单元、单个b e a m 单元、5 个b e a m 单元和8 个b e a m 单元。最终的结论是：b r i c k 单元和单个b e a m 单元的模拟精度相对较 高，且单个b e a m 单元的建模时间较短阁。 广汽集团汽车工程研究院的王玉超等人采用c w e l d 和r b e 2 两种单元对某副车架 的焊点进行模拟，利用m s c n a s t r a n 软件计算其模态和扭转刚度，与试验结果比较 的结果表明，两种模拟方法与试验结果的误差都很小，在允许误差范围内。但c w e l d 单元建模时间相对较短，所以在计算车体部件的模态和刚度时，推荐采用c w e l d 单元 模拟焊点p q 。 n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通过查阅国内外的研究资料发现，目前对焊点模拟方法的研究已经取得了很多有价 值的研究成果。但这些研究与汽车碰撞的联系不大，针对汽车吸能装置上焊点的研究很 少。所以，本文将焊点模拟方法与汽车碰撞联系在一起进行研究。 1 3 2 焊点位置优化方面 同济大学的解跃青等以焊点失效作为判断准则，分别对不同焊点间距和不同焊点位 置的纵梁进行模拟仿真分析，最终得出结论如下：当焊点间距为梁变形半波长时，其吸 能能力最强，对汽车和乘员的保护效果最好。在点距相同的情况下，焊点布置在梁变形 的平衡位置时，梁容易产生规则变形，焊点不易失效，而布置在变形的波峰或波谷位置 时，梁的变形不可预测，焊点容易断裂失效。同时指出焊点的位置分布对汽车缓冲吸能 区的影响不容忽视1 3 7 1 。 该研究的研究对象为方形截面结构，是否适用于其他截面结构还有待研究。另外， 对于形状不规则的吸能盒而言，按照波长公式计算其波长并不准确。 1 4 本文的主要研究内容 吸能盒是汽车前部最重要的缓冲吸能部件，本文以吸能盒上的焊点为研究对象，对 焊点的模拟方法和位置分布进行研究，找到合适的焊点模拟方法和最佳的焊点位置分 布。总结本文的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过查阅与焊点相关的参考资料，了解焊点的各种模拟方法，分析研究各种 模拟方法的具体建模方法以及在h y p c r m e s h 等软件中的实现方法； ( 2 ) 采用高强度与低强度梁单元对焊点进行模拟，使用h y p e r m e s h 建立汽车吸能 装置的简化模型后使用l s d y n a 3 d 软件进行计算。两组计算结果相差很大，说明焊点 模拟方法对吸能装置的模拟精度有非常大的影响。 ( 3 ) 建立帽型梁的有限元模型，分别采用多种模拟方法对焊点进行建模，使用 a n s y s 软件对帽型梁进行模态分析，将多组模拟结果与试验结果进行比较，评价各种 方法的优劣，并找出不同情况下的最佳焊点模拟方法； ( 4 ) 根据吸能盒对焊点密度的要求和使用拓扑优化技术对焊点位置的评估结果确 定几种新的焊点分布方案。通过对多个碰撞模拟结果的比较，找出最佳的吸能盒焊点分 布方案。 第2 章点焊工艺及显式非线性有限元理论 第2 章点焊工艺及显式非线性有限元理论 2 1 点焊工艺简介 2 1 1 点焊工艺特点 电阻焊是将被焊工件压紧于两个电极之间，保持适宜的压力确保被焊工件稳定接触 后施加电流，根据电阻热效应，电流流经被焊工件接触面及邻近区域时会产生热量使工 件接触面熔化，以达到将金属工件焊接在一起的一种方法。电阻点焊主要包括点焊、凸 焊和缝焊等，其中点焊在汽车薄板结构中应用最广泛刚。点焊结构特性如图2 1 所示。 ， 焊核 一一电极 两板翘离 、 广1 ， s l r l 。7f 电极头。t詈鬈 l 电极 焊核直径 八 、 图2 1 点焊结构特性图 点焊与其他的连接方法相比，优点如下： 1 、与熔焊相比，焊接过程简单，热影响区小，更易于获得优质焊接接头； 2 、与铆接相比，点焊节省材料，降低结构质量； 3 、点焊易于实现机械化、自动化，适于安排在自动生产线上，提高生产率； 4 、点焊焊接过程中不产生弧光和有害气体，改善工作环境。 电阻点焊过程中，点焊焊点的形成过程分为以下几个阶段： 1 、预压阶段：对被焊工件施加适当压力，保证工件接触稳定。 2 、加热阶段：施加的电流通过挤压在电极间的工件，产生热量，温度达到熔点后 母材熔化，形成熔核。由于点焊是内部热源，熔核外部金属因温度低而形成包围熔核的 塑形环。 3 、冷却阶段：熔核形成后，焊点在冷却过程中会产生严重收缩。焊点在未完全冷 却前，不能解除电极的压力，以便得到更加致密的结晶组织。 1 3 哈尔滨r t 程大学硕七学 _ 7 = 论文 目前应用较广泛的点焊工艺主要包括手工点焊工艺、机器人点焊工艺和多点焊工艺 掣捌。手工点焊工艺成本低、空间小，能够对特殊位置进行点焊操作，但效率低下，点 焊质量也无法保证，适合于小批量生产。机器人点焊工艺点焊质量好、效率高，但生产 成本较高，适合于大、中批量生产。多点焊工艺即采用多点焊机及专门针对某汽车零部 件而设计制造的点焊胎具，多点焊机是大批量生产的专门设备，它根据所需点焊工件的 形状及焊点位置而分布。这种工艺与机器人点焊工艺相比成本更高，生产线制造周期更 长，但相应地点焊质量更好、效率更高，只适合于大批量生产。上述这三种点焊工艺的 对比见表2 1 。 表2 1 点焊工艺的对比 序号工艺方法成本质量效率 适用对象 1 手工点焊工艺低差低小批量生产 2机器人点焊工艺中中中大、中批量生产 3 多点焊工艺 高好高大批量生产 2 1 2 汽车生产对点焊质量的要求 焊点断裂势必导致零件脱开，直接影响零件的性能，所以避免焊点断裂是保