（光学工程专业论文）焊点失效模型在前纵梁耐撞性中的应用分析.pdf

硕十学位论文 摘要 从2 0 世纪5 0 年代开始，电阻点焊由于具有焊接过程中能量集中、变形小、 生产率较高，特别适用于焊接薄壁零件的优点，使其成为汽车车身最重要的连接 方式。在轿车车身制造过程中，焊接接头质量的好坏，不仅直接决定了车身焊接 装配过程的制造偏差，同时也决定了轿车使用的可靠性和安全性。随着c a e 分析 方法在汽车碰撞仿真中的大量应用，如何对车身中的点焊进行正确的模拟是十分 重要的一环，也一直是仿真中的一大难点。 针对焊点在碰撞中的失效现象，在前人研究的基础上，本文使用实验和有限 元仿真结合的方法，模拟了在高强钢板材( d p 6 0 0 ) 中的两种焊点失效实验过程， 通过使用实体单元的有限元方法建立了包含焊核、热影响区和基本板材区的细化 焊点拉伸模型。并在可能产生失效的区域引入了基于塑性应变的失效准则，最后 通过相关的试验验证了模型的可靠性。随后总结了焊点在两种试验中的失效过程， 并通过有限元这种直观的分析方法对焊点失效的原因进行了应力应变的分析，结 果表明，在盒形拉伸实验和搭接剪切实验中，焊核的叉点处都存在严重的应力应 变集中现象，且此处多为初始裂缝产生的地方。从宏观方面来看，杯形试件拉伸 的焊点拉拔失效是由剪切力作用形成，而搭接剪切实验的焊点拉拔失效是由拉切 力作用形成。 针对目前使用的焊点模拟方法，本文首先对数种焊点模型进行了分类并对比 了各种焊点模型的特点。本文选取了五种目前常用的焊点模型，对纵梁的台车碰 撞实验进行建模，分析了对五种焊点对前纵梁耐撞性的影响及各种模型各自的优 缺点。并通过实际中的前纵梁台车实验来验证各种焊点连接模型的精度。通过对 比分析得到的结论为：不同的焊点模型对纵梁碰撞响应有较大的影响；在模拟精 度方面，较高的焊点模型有可变形梁单元模型、实体单元模型和弹簧单元模型， 综合各方面的因素认为可变形梁单元焊点模型是最合适的焊点建模方法。 最后使用了可变形梁单元这种焊点模拟方法建立起来的前纵梁台车碰撞模型 来讨论焊点强度和焊点间距对纵梁碰撞的影响。研究得出：焊点的强度对薄壁梁 结构的变形模式有很大影响，会直接导致其吸能性能随焊点强度的降低而降低。 而焊点的间距对前纵梁的变形和吸能情况也有很大的影响。过大和过小的间距对 纵梁变形都会不利纵梁的变形和吸能效果。具体的焊点间距和分布需根据实际的 碰撞情况来定。 关键词：焊点失效；焊点模型；前纵梁，焊点强度；焊点间距 焊点失效模型在前纵粱耐撞性中的应用分析 a b s t r a c t s i n c e19 5 0 s ，r e s i s t a n c es p o tw e l dh a sb e c o m et h ep r i m a r ym e t h o do f j o i n i n gi n v e h i c l ei n d u s t r y d u et ot h ea d v a n t a g e si th a si nw e l d i n gt h i ns h e e tp a r t s ，s u c h a s ， c o n c e n t r a t i o no fe n e r g y , s m a l ld e f o r m a t i o n ，h i g hp r o d u c t i v i t y i nt h ep r o c e s so fc a r b o d ym a n u f a c t u r e ，t h eq u a l i t yo fs p o tw e l d i n gw i l ln o to n l yd i r e c t l yd e t e r m i n e st h e m a n u f a c t u r i n gv a r i a t i o n s i nc a rb o d yw e l d i n ga s s e m b l e ，b u ta l s od e t e r m i n e st h e r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fc a r s a st h ei n c r e a s i n gb s eo fc a ea n a l y s i si nc a rc r a s h s i m u l a t i o n ，i th a s ag r e a t s i g n i f i c a n c e t o i m p r o v et h ea c c u r a c yo ff em o d e l p a r t i c u l a r l yi ns i m u l a t i o nr e l i a b l yo ft h es p o tw e l dc o n n e c t i o n s s p o tw e l df a i l u r ew i l lg r e a t l yi n f l u e n c et h ev e h i c l er e s p o n s ei nc r a s h s p o tw e l d f a i l u r ei so n eo ft h em o s tc o m m o nr e s e a r c ht o p i ci nv e h i c l ed e s i g np r o c e s s u s i n gt h e e x p e r i m e n t sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ec u r r e n tp a p e ra n a l y s i z e dt h es p o tw e l d s f a i l u r em a c h e n i c a li n s q u a r e c u pt e n s i o nt e s ta n dl a p s h e a rt e n s i o nt e s to fh i g h s t r e n g t hs t e e l ( d p 6 0 0 ) ，w h i c hw a sw i l d l yu s e di nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y f em o d e l s w e r eb u i l tw i t hs o l i de l e m e n t st os i m u l a t et h e c o r r e s p o n d i n gt e n s i o nt e s t s a n d v a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e s t ov a l i d a t et h em o d e li nd e t a i l w ep e r f o r m e de x p e r i m e n t sa i m e dt o s t u d yt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o v i c k e r s h a r d n e s sd i s t r i b u t i o no ft h es p o tw e l dr e g i o n t h ed e t a i lf em o d e l so fs p o tw e l d c o n s i s to fb a s es h e e t s ，h e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) a n dw e l d n u g g e t i nt h ef e s i m u l a t i o ns t u d y , m a t e r i a lf a i l u r ei sm o d e l e dw i t hs t r a i n b a s e dc r i t e r i o n t h er e s e a r c h s u m m a r i z e dt h ef a i l u r ep r o c e s s e so ft w os p o t w e l df a i l u r et e s t s t h ea n a l y s i so fs t r e s s a n ds t r a i ni nf em o d e l ss h o wt h a tn o t c hb e t w e e nw e l dn u g g e ta n dh a z i st h es t r e s s c o n c e n t r a t i o np o i n t s ，w h i c hc o n f i r mt h ep h e n o m e n o nt h a tp u l l o u tf a i l u r eo f s p o tw e l d o f t e nt a k e sp l a c ea tt h eh e a ta f f e c t e dz o n ea r o u n dt h ew e l dn u g g e t n o w a d a y s ，t h e r ea r em a n ys o l u t i o n so fs p o tw e l dm o d e l i n gi ns i m u l a t i o no fc a r c r a s h i no r d e rt or e s e a r c ht h ei m f l u e n c eofs p o tw e l dm o d e l si n l o n g i t u d i n a lb e a m c r a s h ，f i r s t l y , t h ea u t h o rc l a s s i f i e da n dc o m p a r e dt e ne x s i t e ds p o t w e l dm o d e l si n d i f f i c u l t ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o d e l i n g ；t h e n ，s e l e c t e df i v et y p l eo fs p o t w e l d m o d e l s ，u s e dc o m m o n l yi np r e s e n t ，t os i m u l a t e dt h ec r a s ho fc e r t a i nl o n g i t u d i n a l b e a mj o i n t e d b ys p o t w e l d f i n a l l y , w i t ht h ec o m p a r i m e n tofr e a lw o r l dt e s t ，i t i n d i c a t e st h a tt h em o d e lo fs p o t w e l dw i l li n f l u e n c et h ed e f o r m a t i o ns i m u l a t i o no f l o n g i t u d i n a lb e a m ，a n dt h es o l i de l e m e n tm o d e l ，d e f o r m a b l eb e a mm o d e la n ds p r i n g i i l 硕士学位论文 m o d e lh a v eh i g hp r e c i s i o no fs i m u l a t i o n w h i l es p o tw e l dm o d e la n dr i g i db a rm o d e l a r ee a s yt od e f i n e b u t t a k i n g i n t oc o n s i d e r a t i o nt h en e wd e f i n e t i o n m e t h o d ， d e f o r m a b l eb e a mm o d e lw i l lb et h em o s tc o n v e n i e n tm o d e l i n gt y p l ei ns i m u l a t i o nof c a r s ot h ea u t h o rr e g a r d st h ed e f o r m a b l eb e a mm o d e la st h ep r o p e rw a yi ns i m u l a t i o n o fc a rc r a s h f i n a l l y , i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fs t r e n g t ha n dd i s t a n c eo fs p o t w e l di n l o n g i t u d i n a lb e a m ，t h ec u r r e n tp a p e rb u i l tu pt h r e ec r a s hm o d e l so fl o n g i t u d i n a lb e a m w i t hd i f f e r e n ts t r e n g t ho f s p o t w e l d sa n df o u rc r a s hm o d e l so fl o n g i t u d i n a lb e a m sw i t h d i f f e r e n td i s t a n c eo fs p o t w e l d s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，i tc a nd e d u c eac o n c l u s i o n t h a ts t r e n g t ha n dd i s t a n c eo fs p o t w e l d sw i l li n f l u e n c et h ed e f o r m a t i o na n d e n e r g y a b s o r p t i o no ft h el o n g i t u d i n a lb e a mg r e a t l y i nd e t a i l ，t h ec a p a b i l i t yo fe n e r g y a b s o r b i n go fl o n g i t u d i n a lb e a mw i l ld e c r e a s ew i t ht h ed e c l i n eo fs p o t w e l ds t e n g h t ； a n dt o ol a r g eo rt o os m a l ld i s t a n c ew o u l db ed e t r i m e n t a lt ot h ed e f o r m a t i o na n d e n e r g ya b s o r p t i o nofl o n g i t u d i n a lb e a m k e yw o r d s ：s p o t w e l df a i l u r e ；s p o t w e l dm o d e l i n g ；l o n g i t u d i n a lb e a m ；s t r e n g t h a n a l y s i s ；s p o t w e l dd i s t a n c e i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 近十年是中国汽车工业飞速发展的时期，2 0 0 9 年中国汽车产量有望突破1 3 0 0 万辆，成为世界第一大轿车生产和销售国。汽车作为现代的交通工具，早已对人 们的生活、生产产生了深刻的影响。然而不幸的是，随着汽车工业的发展以及汽 车保有量的增加，交通事故也呈上升趋势，交通事故伤亡已经成为威胁人类自身 安全的世界第一大公害。我国是一个拥有13 亿人口的发展中国家，也是全世界道 路交通事故死亡人数最多的国家之一。表1 1 是我国1 9 9 9 2 0 0 8 年间的交通事故 概况【。 表1 11 9 9 9 2 0 0 8 年道路交通事故概况 针对交通事故的情况，很多国家和地区都通过制定了汽车安全的强制法规和 新车评估计划( n c a p ) 来促使生产厂商改进汽车耐撞性，几乎所有的汽车厂商 都加大了对汽车碰撞安全的考虑。在早期阶段，由于没有别的选择，耐撞性的检 验和改进几乎都靠实验室手段来实现，检验一项指标或一种功能往往需要反复试 验，这样既费时又费钱，效果还不一定理想【2 】。随着计算机技术和工程计算方法 的发展，自8 0 年代中期第一次使用有限元整车模型进行耐撞性分析后，有限元方 法在汽车碰撞安全分析方面的应用迅速增长。采用有限元方法进行汽车碰撞研究 7 虚拟碰撞仿真分析和实际的试验相比有如下优点【3 】： 1 ) 成本低廉，即一个模型可以进行无数次的碰撞而不损坏。 2 ) 如果结构发生了变化，只需改动模型中的相关参数即可进行再次的碰撞分 析，这比实体修改后再试验的过程更方便，快捷，利于多种方案的快速分析和比较。 焊点失效模型在前纵粱耐撺性中的应用分析 3 ) 不需要任何的测量仪器，就可输出所需要的碰撞结果。如结构某一碰撞部 位的碰撞加速度、结构上某一点的位移、结构的变形能及人体的碰撞受力等，并 且有些结果是试验无法测量得到的。 4 ) 能够任意多次地重复再现各个部件的中间变形过程，方便设计人员对结构 的观察、分析和改进。 仿真精度是有限元方法的可靠性的一个重要方面，建模的准确性在很大程度 上影响仿真精度，如在基于l s d y n a 3 d 软件的有限元建模过程中，建模的影响 因素主要包括了网格质量、单元大小、各种材料属性定义的正确度、接触定义及 连接方式的模拟等。 车身的连接方式主要有焊接( 包括点焊、电弧焊等) 、螺栓联接、铆钉联接和 黏合剂胶【4 1 。电阻点焊作为焊接学科的一个分支，是各工业部门广泛应用的加工、 装配方法。电阻点焊在焊接过程中能量集中、变形小、生产率较高，特别适用于 焊接薄壁零件，因此在航空航天制造工程、汽车、电子等工业领域得到越来越广 泛的应用。从2 0 世纪5 0 年代开始，点焊的方法就成为最重要的车身板材连接方 法 5 1 。在轿车车身制造过程中，焊接接头质量的好坏，不仅直接决定了车身焊接 装配过程的制造偏差，同时也决定了轿车使用的可靠性和安全性。汽车碰撞的试 验研究发现，焊点的特性对于汽车的碰撞安全性有着很大的影响【4 7 】。随着c a e 分析方法在汽车碰撞仿真中的大量应用，准确、可靠地模拟点焊连接及失效对提 高模型精度有着重要意义。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 电阻点焊工艺的介绍 电阻焊是工件组合后通过电极施加压力，利用电流流过接头的接触面及邻近 区域产生的电阻热进行焊接的方法。按焊件的接头形式，电阻焊可分为搭接和对 接两种；按工艺方法可以分为点焊、缝焊和对焊。电阻焊有两大显著特点：一是 焊接的热源是电阻热，二是焊接时需施加压力。 点焊属于电阻焊的一种，它是将被焊工件压紧于两电极之间，并通以电流， 利用电流流经工件接触表面及邻近区域产生的电阻将其加热到溶化或塑性状态， 使工件形成金属结合的一种焊接方式。 常用的点焊标准有：g b t 1 5 1 1 1 9 4 点焊接头剪切拉伸疲劳试验方法、 h b 5 2 7 6 8 4 铝合金电阻焊和缝焊质量检验、h b 5 2 8 2 8 4 结构钢和不锈钢电阻 焊和缝焊质量检验、国际标准i s o6 8 9 2 ：1 9 9 8 金属材料室温拉伸试验方法等。 这些检验标准的目的是确保点焊接头内不存在超标准的冶金缺陷、焊点熔核尺寸 不小于规定标准、熔核达到规定标准的焊点数目超过规定的百分比，以及接头强 2 硕士学位论文 度符合设计要求等 8 1 。 1 2 1 1 电阻焊的特点 电阻焊在汽车生产应用中最多，特别是点焊技术是现代车身最普遍采用连接 方式，电阻点焊工艺完成了7 5 以上的轿车车身半装配工作量，它主要应用于车 身总成、车身侧围等分总成、小型板类零件、车身底板总成、车门、发动机罩盖 和转向机构等总成的连接【9 】。一般来说，轿车车身大约需要4 0 0 0 6 0 0 0 个点焊焊 点，例如一辆帕萨特车身上有电阻焊焊点5 8 9 2 个【1 0 】。一辆上海大众汽车有限公 司生产的桑塔纳轿车不计外协件有4 7 4 3 个焊接点】。电阻焊的广泛应用是因为 有如下优点【1 2 】-， 1 ) 两金属是在压力下从内部加热完成焊接的，无论从焊点的形成过程或结合 面的形成过程，其冶金问题都很简单。且焊接时无需焊剂或气体保护也不需要填 充金属，因而成本较低。 2 ) 由于热量集中，加热时间短，故热影响区小，变形和应力也较小。焊后通 常无需考虑校正或热处理工序。 3 ) 操作简单，易于实现机械化和自动化生产，无噪声及烟尘，劳动条件好。 4 ) 生产率高，在大批量生产中可以与其他生产工序编到组装生产线。 同时，电阻焊也有如下几个缺点： 1 ) 目前尚缺乏可靠的无损检测方法。 2 ) 点焊和缝焊需要搭接接头，增加了构件的重量，其接头的抗拉强度和疲劳 强度均较低。 3 ) 设备功率大，而且机械化和自动化程度高，故设备投资大，且对电网造成 的负荷较大。 1 2 1 2 电阻点焊的分类 在乘用车的制造过程中，电阻点焊应用的主要是悬挂式点焊和固定式点焊。 按照电极馈电方向和在一个点焊循环中所形成的焊点个数，电阻点焊方法可分为 以下几种【1 3 】： 1 ) 双面单点焊：如图1 1 所示，能对焊件施加足够大的电极压力。焊接电流 集中通过焊接区，因而可减小焊件的受热体积。 2 ) 单面双点焊：同时可以焊成两个焊点，生产率高。可方便的焊接尺寸大， 形状复杂的焊件。易于保证焊件的一个表面光滑、无电极压痕。 3 ) 单面单点焊：其中一个电极工作面的尺寸很大，仅起导电作用。这种方法 适用于不能采用双面点焊的结构。 4 ) 双面双点焊：由两台焊接变压器分别对焊件上、下两面的成对电极供电。 主要用于厚度较大，质量要求较高的大型焊件。 焊点失效模型存前纵梁耐掩件中的戍用分析 5 ) 多点焊：这是一次可以焊出多个焊点的方法。通常采用数组单面双点焊组 合起来，也有的采用数组双面单点焊组成。由于这种方法生产率高，在汽车制造 工业生产中得到了广泛的应用。 l 、u ，一- 】 厂 习 卜 i 1 j 1 厶 jf - j i1 1 一 一 l u 一 t d i 口j 图1 1 点焊方法示意图 ( a ) 双面单点焊；( b ) 单面双点焊；( c ) 单面双点焊；( d ) 双面双点焊；( e ) 多点焊 1 、2 电极；3 焊件；4 铜垫板 1 2 1 3 点焊焊接的过程及焊接参数 点焊的焊接循环由四个基本阶段组成( 如图1 2 ) 【8 】： 产生热量q _ - 电流1 2 电阻r 时间t 图1 2 电阻点焊的基本过程 1 ) 预压阶段电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有 适当压力。 4 盟一啪里团 硕士学位论文 2 ) 焊接阶段焊接电流通过工件，产生循环热形成熔核。 3 ) 维持阶段切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。 4 ) 休止阶段电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。 为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环： 1 ) 加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。 2 ) 用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅；凸焊时这 样做可以使多个凸点在通电焊接前与平板均匀接触，以保证各点加热一致性。 3 ) 加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。 4 ) 用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不 加大锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。 点焊焊接的参数主要有焊接电流和通电时间，电极压力、电极端部形状及尺 寸。焊接电流和通电时间主要决定焊件的加热和熔化。电极压力应保证能顺利通 电和消除焊点不应有的疏松和裂纹。电极工作部分的形状和尺寸的使用因焊接板 材的材料不同而不同，如在钢材的焊接中使用的平面的电极。通常焊点直径为电 极表面直径的0 9 1 4 倍。点焊焊接的参数通常应保证： 1 ) 熔核的直径为d 掳= 2 8 + 3 ，式中万为焊件厚度； 2 ) 熔核高度为焊件厚度的3 5 7 0 ： 3 ) 表面压痕深度不超过焊件厚度的1 0 一2 0 。 1 2 1 4 焊后焊点处显微组织 在相关的对焊接过程的研究中发现，薄板的电阻焊接过程中，最后一个通电 周期时，焊核中心达到最高温度2 0 9 6 ，在焊核( w e l dn u g g e t ) 周围会有一个没有 达到熔化的温度但又高于金相组织重结晶的温度的区域( 图1 3 ) 【l4 1 ，这就是我 们常说的热影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e 。h a z ) 。 p 2 0 0 捌 运1 5 0 1 0 0 s o 距离m m 图1 3a ) 焊核完全形成时的温度分布b ) 焊核完全形成时沿结合面的温度分布 对于一般的低合金钢板，在焊核区和热影响区，由于热循环和压力的作用， 显微组织与原来的板材有了很大的变化【15 1 。在热影响区中的不同部分经历了不同 的焊接热循环，距熔合区越近，加热的峰值温度就越高，加速速度和冷却速度越 大，焊后的组织性能变化也就越大。低合金钢热影响区各特征区的温度、范围组 9 喀 6 0 6 0 6m 0 7 2 4 4 5 6 6“鲫躲心似们鳟 22唾79，；l j 翔 一一一一一一一一一一 焊点失效模型在前纵梁耐掩性巾的应用分析 织特征及性能见表1 2 ： 表1 2 低合金钢热影响区各特征区的温度范围、组织特征及性能 为热处理强化钢，其余为非热处理强化钢。 注：低调质钢热影响区存在完全淬火区和不完全淬火区，c g h a z 为淬火粗晶区，f g h a z 为淬火细晶区。 有关熔核区组织划分，众多研究者提出过多种分类方法及不同的见解，其中 19 8 5 年道尔贝( d o l b y ) 提出了显微组织分类准则受到了大家的认可。在低合金 高强度钢熔核区金属中可能出现的显微组织可分类如下： 1 ) 先共析铁素体( p f ) ，可以分为晶界铁素体和晶内铁素体。 2 ) 带第二相的铁素体，这里说的第二相是珠光体、渗碳体、马氏体及m 一a 组元等。第二相的性质、分布及特征是决定组织类型的关键，也是观察焊核金属 显微组织的重点。 3 ) 针状铁素体( a f ) 。 4 ) 铁素体一碳化物集合体( 珠光体组织) 。 1 2 2 焊点的强度及失效的机理研究现状 由于点焊连接方式的广泛应用，众多研究者对焊点进行了多方面的研究。在 焊点的焊接过程研究方面，林莉莉【1 5 】和王敏【1 6 】基于有限元仿真方法分别对低碳钢 6 硕士学位论文 和高强钢( d p 6 0 0 ) 薄板点焊过程的分析，得到点焊接头的温度场及各部位的热 历程，模拟了焊核形成过程，并初步分析了不同焊接条件下产生的焊核的大小和 形状及热影响区的范围。 关于电阻点焊强度的影响因素，普遍认为影响焊点失效的主要因素主要有： 焊点的母材强度、板材厚度、焊核大小等。k e l l e r ，f 和s m i t h ，d w t l 7 1 认为焊点的 拉伸力( t e n s i o ns h e a rf o r c e t s f ) 与焊核的直径( d ) 有公式1 1 中的关系。 您f = 1 2 0 d 2 ( 1 1 ) 考虑到板材厚度和材料特性对拉伸强度的影响，h e u s c h k e ld s 及s a w h i l l 和 b a k e rd 9 提出了拉伸力公式( 1 2 ) ： 邢f = 疋( 1 2 ) s 是母材的最大拉伸强度值；f 是材料影响系数，其值在2 5 到时3 1 之间； t 是初始板材厚度。 焊点失效模式可以分为界面断裂失效模式和拉拔失效模式两种【5 ，2 0 1 ，不同的 失效模式对焊点强度有很大的影响。m p o u r a n v a r i 等 2 1 】基于低碳钢母材研究了 焊核大小在两种焊点失效实验中对产生不同失效模式的影响( 图1 4 ) 。m a r y a ，m 和w a n g ，k t 2 2 1 研究了在高强度钢中不同失效模式划分的方法，认为热影响区的材 料硬度变化与材料厚度关系是造成不同失效模式的重要原因( 图1 5 ) 。并给出了 相应的拉伸强度关系( 式1 3 ) 。 t s f c = 8 3 1 1 0 5 3 t 3 2 2 + 8 4 8 ( h 一日蛐) _ 1 2 4 j 6 8 ( 1 3 ) 图1 4 焊点大小对失效模式分界图图1 5 拉伸实验中失效模式的分布图 焊点失效的研究主要包括了焊点的疲劳失效的动态的碰撞失效两方面。在低 应力高频率的疲劳失效的研究中，l o n g ，x 和s k k h a n n a 【2 3 1 研究了高强度钢板 中焊点的疲劳特性及失效的特点。在高应力一低频率的碰撞失效研究中，众多研究 5 , 2 2 , 2 4 , 2 5 都通过简化的实验来研究不同的力对焊点在准静态下的失效响应和失效 机理。 7 焊点失效模型在前纵梁耐撞性中的应用分析 焊点在碰撞条件下是一个很复杂的受力过程，焊点在实际碰撞失效过程中可 能会承受拉伸剪力、法向拉拔力、剥离弯矩和平面转矩的合成载荷。为了分析各 种力对焊点的影响，研究者提出了多种简化焊点力学实验 5 , 2 4 , 2 6 , 2 7 】：如单焊点的拉 伸实验，常见的有搭接剪切实验、十字拉伸实验、拉伸剥离实验和可多角度联合 加载的k s 实验等( 图1 6 ) 。 l a p - s h e a rs a m p l e a 搭接剪切实验b 十字拉伸实验 旁3 0 。l o a d i n g 争。i 删i 嗍 c 拉伸剥离实验d k s 买验 图1 6 各种实验的试件 对于焊点的失效准则，目前主要存在的有基于力、能量、位移和应变的四种 失效标准【2 4 ，2 8 圳】。在整车有限元模型中，w u n g 2 4 1 在系列的试验的基础上提出的 基于力的失效准则( 式1 4 ) ，它集中考虑了拉力、剪力、扭矩和弯矩的作用。这 种准则得到了广泛的认可，已经应用到了l s d a n y 软件的焊点失效中。s h l i n 2 9 】也建立了可以应用到工程分析的一种基于力学的拉拔失效模式准则( 式 1 5 ) 。在焊点的强度方面z u n i g a 和s h e p p a r d l 2 8 】提出可以通过使用焊核附近区域 的材料塑性应变失效的方法来解释。o m a rf a r u q u e 等【3 1 】提出了一种基于能量的失 效准则如式1 6 。 口+ 澍+ + 阿= ，b 一2 0 r + 2 a ：使z + 吾+ ( 去) 2 g 岛茸) 2 ： b 一 2 使2 + b f 关ll k 茸) 2 = ( 1 4 ) ( 1 5 ) 硕十学位论文 ， 赤卜y 卜 捌2 t 6 ， 1 2 3 焊点连接模拟方法的现状 目前，应用有限元方法的c a e 方法有模拟整车在碰撞中的动态响应、模态分 析等。在应用有限元分析软件进行车身结构分析计算的过程中，车身金属板件容 易用具有薄膜及弯曲效应的壳单元描述，而焊点本身却不易模拟。对于由成千上 万的焊点连接而成的车身来说，焊点有限元模型的模拟精度以及建模时间是其建 模的关键技术，也是保证整个计算结果正确并具有较高精度的关键技术【3 2 1 。 焊点模型按照分析目的大致可以分为两大类：一类是计算焊点应力状态的模 型，一类是不计算焊点应力状态的模型。对于第一类模型，因为要计算得到比较 光滑的焊点应力场，通常建立的有限元模型很细致；而对于第二类模型，只是要 求尽可能准确地模拟实际焊点的刚度( 和质量) 特性和对结构上连接部位的影响， 允许采用自由度较少的简单焊点模型【3 3 , 3 4 】。 上述第一类模型一般都采用细化的焊点结构来研究焊点在受力过程，如w a n g 等【3 5 1 用壳单元建立了焊点失效实验的细化有限元模型。l a m o u r o u x 和c o u t e l l i e r 3 6 】 及s e e g e rf 等【3 7 】使用实体单元建立了焊点失效实验的细化有限元模型，在模型中 他们把焊点区域划分为母材区、热影响区和焊核区，并采用了不同的材料来定义 各区的材料特性。 上述第二类模型，焊点模型较为简单。主要采用以实验结果为参考基准分析 不同焊点有限元模型的模拟精度的方法，找出适用于各种车身结构分析的简单焊 点有限元模型。对于这类焊点模型研究者们也做了大量的工作：高书娜【38 】在模态 分析中比较了车身点焊连接有限元模拟方法，研究表明，( 1 ) b r i c k 单元的模拟精 度最高，但其建模时间较长：单个梁单元的模拟精度较高，且建模时间最短；s h e l l 单元的模拟精度偏低；( 2 ) b e a m 单元和s h e l l 单元均可用于车身模型模拟焊点， 但b e a m 单元的精度更高。( 3 ) 整车强度分析结果与实车破坏情况一致，进一步 说明b e a m 单元可以用于车身有限元模型的焊点模拟。 在汽车碰撞仿真中，何文等 3 9 】提出了一种焊点由具有一定截面特性和材料的 梁单元模拟，焊接单元由有限元节点和有限单元组成。这样在车身有限元建模时 无须考虑节点对齐，新焊接单元对有限元节点的依赖性大为降低，焊点位置精度 较高。叶映台【4 0 】研究了实体单元焊点在碰撞中的应用，认为用实体单元建立的焊 点模型能够准确地模拟焊点连接关系和失效情况。可将此种焊点模型应用于汽车 碰撞仿真中，提高仿真模型的精度。o m a rf a r u q u e 等【3 l 】提出了用6 自由度2 节点 弹簧来模拟点焊的方法，其失效准则包含峰值力、位移和能量参数。将这一方法 9 焊点失效模型在前纵梁耐掩性中的应用分析 用于模拟点焊在前纵梁的轴向碰撞变形下的失效，并与相应的台车碰撞试验结果 比较，发现该方法对部件碰撞力和位移的预报基本合理。兰风崇 4 1 1 提出了虚拟节 点法以模拟点焊结构，该方法仿真结果与试验结果一致性较好，比传统方法更有 效地模拟实际焊点的力学行为，证实了虚拟节点法应用于模拟点焊结构的可行性。 针对碰撞中使用的多种模拟焊点方法，高卫民【4 2 】总结了数种模拟方法的特 点，并得到了用刚性杆连接法模拟焊点在碰撞模拟中必须考虑焊点断裂特性，否 则将大大降低碰撞模拟精度的结论。项玉江【4 3 】在帽型薄壁管件准静态压溃模拟计 算中比较了多种焊点的处理方法，从平均压溃力、压溃力位移曲线、变形模式3 方面分析，得到如下的结论：( 1 ) 对于不出现焊点开裂的准静态压溃，用体单元 焊点模型或节点刚性化焊点模型模拟效果最佳。( 2 ) 在焊点建模过程中，应对焊 点直径的影响予以考虑，否则将使模拟结果和试验结果产生较大误差。( 3 ) 当焊 点出现开裂时，不能再用节点刚性化模型，考虑用可以定义焊点失效准则的刚性 杆模型和梁单元模型。 1 2 4 焊点研究的发展趋势 针对电阻点焊，研究者们进行了大量研究和分析工作。然而，由于实验条件、 研究深度等制约，焊点的研究还有待进一步进行，这主要表现在以下几个方面： 1 ) 应变率对焊点失效强度的影响。s o ng ，j - h 4 4 研究发现：在不同速度的焊 点拉伸失效中，焊点能够承受的载荷会随着拉伸速度的增加而增加。但目前还没 有一个可行的失效准则来衡量这种变化。 2 ) 焊点在碰撞中的失效机理及准则。研究焊点的失效虽然目前有基于不同标 准的几种失效准则，但至今没有一种失效准则能够很好的解释焊点的失效条件， 特别是还没有一种标准能够很好的应用在不同焊点加载情况下。因此，建立一种 通用的标准也是目前研究的一个重点。 3 ) 焊点在高强钢中的失效。由于同时具备高强度和较好的延展性，双相高强 钢在汽车车身的应用也日益广泛【2 1 , 4 5 。如在v o l v o 公司，新款$ 4 0 轿车车身上普 通钢材占的比率由6 4 降到了4 6 ，而高强度钢和超高强度钢，如d p 6 0 0 ，d p 7 8 0 、 d p i0 0 0 等，所占的比例从3 6 提高到了5 4 。焊点在高强度钢中的失效有其自 身的特点，固焊点在高强度钢中的失效研究是目前汽车耐撞性研究中的一个热点。 4 ) 各种板材的焊接力学特性的研究。由于对汽车燃油经济性的要求，各种不 同的轻金属材料越来越多的应用到汽车车身中，对不同类型金属的焊接其力学特 性有很大的不同，从而研究不同材料搭配的焊点失效机理和强度有重要意义。 1 3 研究课题来源 本文的研究课题来自国家科技部十一五“8 6 3 项目高科技项目 1 0 硕士学位论文 ( 2 0 0 6 a a l10 10 1 ) 以及“111 计划 ( 111 2 11 ) 。 1 4 本文研究目的和主要内容 本文旨在研究电阻点焊这种汽车工业中最常用的连接方式在碰撞中的失效机 理，焊点的模拟方法对碰撞安全模拟精度的影响以及焊点强度和焊点间距对纵梁 碰撞的影响。 本文首先介绍了电阻点焊的工艺特点和分类，点焊焊接的过程及焊接参数和 焊接质量要求，并说明了电阻点焊焊接过程对焊点处材料的影响。 其次针对焊点在碰撞中的失效现象，在前人研究的基础上，使用实验和有限 元仿真结合的方法，模拟了在汽车业中常用的d p 6 0 0 高强度钢材的焊点拉伸失效 过程，通过使用实体单元的有限元方法建立了包含焊核、热影响区和基本板材区 的细化焊点拉伸模型，并通过相关的试验验证了模型的可靠性，随后总结了焊点 在两种试验中的失效过程，并通过有限元法对焊点失效的原因进行了应力应变的 分析。 最后针对目前使用的焊点模拟方法，本文对数种焊点模型进行了分类并对比 了各种焊点模型的特点。最后选取了5 种目前常用的焊点模型，分析了对碰撞分析 的影响因素及各自的优缺点。并通过实际中的前纵梁部件实验来验证各种焊点连 接模型的对仿真精度的影响。 最后使用了b e a m 单元焊点模拟方法建立起前纵梁台车碰撞模型，分别通过对 三种不同焊点强度和四种不同焊点间距的前纵梁台车碰撞仿真进行了对比分析， 讨论了焊点强度和焊点间距对纵梁碰撞的影响。 焊点失效模型在前纵梁耐掩性中的应用分析 第2 章汽车有限元仿真的基本理论 2 1 汽车c a e 简介 汽车碰撞问题是典型的非线性、大变形和大位移问题，它涉及到众多的学科 和领域，尤其是有限元理论、计算数学、计算力学、弹塑性力学、计算机图形学 等，并且这些理论本身也在不断发展和完善。弹塑性力学是结构分析的基本力学 理论，有限元理论则是汽车c a e 技术常用理论。 目前，汽车c a e 已广泛用于汽车设计之中( 图2 1 ) ，并有效地指导整车设计， 其在整车开发中所需完成的任务包括强度与刚度分析，n v h 分析，耐久性分析， 汽车防撞性与乘员安全性分析，流体分析等。就安全性c a e 分析而言，主要分为 整车防撞性，乘员安全性以及约束系统模拟分析。其中乘员安全性以及约束系统 模拟分析涵盖了台车模拟、座椅分析、头部碰撞分析、管柱分析、安全带分析； 而整车防撞性分析主要由前碰撞、侧碰撞、后碰撞、车顶压溃以及行人保护分析 组成。 优化设计 图2 1c a e 在整车开发中的应用 2 2 弹塑性力学 弹塑性力学是结构c a e 分析的基本力学理论，是研究物体进入弹性阶段并过 渡到弹塑性阶段，直到最后物体被破坏的整个发展过程的力学问题。弹塑性力学 的主要内容包括以下两部分： 1 ) 弹塑性本构关系 本构关系是材料本身固有的一种物理关系，指材料内任一点的应力和应变之 间的关系。弹性本构关系是广义虎克定律，而不同的加载条件，要服从不同的塑 性本构关系。塑性本构关系分为两大类增量理论和全量理论。 2 ) 研究荷载作用下物体内任一点的应力和变形 在荷载作用下，物体内会产生内力，从而每一点都存在着应力，并且物体内 每一点会发生位移，亦存在着应变。研究由荷载产生的应力和变形有助于了解材 料的强度和刚度，使材料得到更好的利用。 1 2 硕十学位论文 2 2 1 弹塑性力学基本假设 弹塑性力学的基本理论来源于实践并在实践中总结出一些规律，但是这些规 律往往较为复杂，因此必须加上假设才能建立相应的理论。在这些假设中，最基 本的有五点。 1 ) 均匀连续假设 假设介质均匀连续无间隙地充满在整个物体内。从微观上讲，虽然介质是由 不连续的粒子组成的，但是，这些粒子间的距离与物体的宏观尺寸相比要小得多， 因此可以不考虑空隙。 2 ) 材料的弹性性质不受塑性变形的影响 当物体内任一点处于塑性状态时，变形分成弹性变形和塑性变形两部分。不 管塑性变形有多大，弹性变形与应力间始终是线性关系。在加载过程中，弹性变 形与应力的关系服从广义虎克定律。在卸载过程中，弹性变形改变量与应力改变 量的关系也服从虎克定律。总之，弹性变形与应力的关系与塑性变形的大小无关。 3 ) 不考虑时间对材料性质的影响 弹塑性力学的研究对象是韧性金属材料。假定物体内的应力和变形的大小只 与外加荷载的大小有关，与时间无关；假设变形速率，应变率等概念只表示位移、 应变的增量，至于这些增量在多长时间内产生的，对力学问题的分析没有影响。 并且加上荷载后，物体的应力与变形是一定值，不随时间的推移而变化。 4 ) 只考虑稳定材料和荷载逐级缓慢增加 所谓稳定材料，是指在单向应力状态下任一时间段内，应力的改变量a o - 与 应变的改变量占的乘积大于或等于0 ，即应力的改变量( 或称附加应力) 总是做正 功。弹塑性本构关系的理论正是在这个假设下