焊點(diǎn)模擬方法對疲勞仿真壽命的影響

孟凡亮+張林波+吳澤勛

摘要： 為改善焊點(diǎn)疲勞仿真壽命分布的合理性，基于盒狀樣件，討論焊點(diǎn)的模擬方法對疲勞仿真壽命的影響，并進(jìn)行疲勞仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比分析.結(jié)果表明，梁單元焊點(diǎn)模型和ACM焊點(diǎn)模型受網(wǎng)格尺寸的影響較大；而nugget焊點(diǎn)模型受網(wǎng)格尺寸影響相對較小，即使在焊點(diǎn)周邊的網(wǎng)格尺寸一致性不好的情況下，該模型也能給出相對合理的壽命分布結(jié)果.

關(guān)鍵詞： 焊點(diǎn)疲勞； 疲勞仿真； 梁單元焊點(diǎn)； ACM焊點(diǎn)； nugget焊點(diǎn)； 壽命分布

中圖分類號： TG113.263； TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

點(diǎn)焊是汽車零部件的主要連接方法，每一個(gè)車身中大約有3 000～5 000個(gè)焊點(diǎn).在車身耐久試驗(yàn)過程中，90%以上的車身開裂源于焊點(diǎn).[1]可見，焊點(diǎn)的正確模擬對早期的車身疲勞壽命預(yù)測具有非常重要的意義.

焊點(diǎn)疲勞仿真主要采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為疲勞參數(shù)進(jìn)行分析，而其結(jié)構(gòu)應(yīng)力一般通過簡化的焊點(diǎn)模型獲得.目前，簡化焊點(diǎn)模型主要采用梁單元或?qū)嶓w單元[2]模擬，其與連接片體之間存在多種連接方式，如可采用共節(jié)點(diǎn)直接連接[3]，RBE2單元傘狀連接[45]，RBE3單元傘狀連接[67]和梁單元傘狀連接[89]等.

目前，關(guān)于焊點(diǎn)模擬方法對疲勞仿真壽命的影響研究較少.本文選擇最常用的3種焊點(diǎn)簡化模型，考慮網(wǎng)格尺寸對仿真壽命的影響，并進(jìn)行案例分析驗(yàn)證.

1焊點(diǎn)疲勞壽命評估方法

目前廣泛使用的焊點(diǎn)疲勞壽命評估方法把結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為疲勞參數(shù)進(jìn)行分析.本文采用的結(jié)構(gòu)應(yīng)力通過焊點(diǎn)所受6個(gè)方向力確定.[10]σp1，σp2=σr，sum+σθ，sum±（σr，sum-σθ，sum）2+4τr，θ，sum2（1）式中：σp1和σp2分別為焊核邊緣上的主應(yīng)力；σr，sum，σθ，sum和τr，θ，sum為焊核邊緣上的應(yīng)力分量.式（1）的最大值即為結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

焊點(diǎn)受力示意見圖1，其中：焊點(diǎn)直角坐標(biāo)系（Oxyz）和球面坐標(biāo)系（Orθz）的原點(diǎn)均位于焊核中心處；Fz為焊點(diǎn)所受軸向力；Mx和My為焊點(diǎn)所受的彎矩；Fx和Fy為焊點(diǎn)所受的剪力；Mz為焊點(diǎn)所受的扭矩；D為約束直徑.

圖 1焊點(diǎn)受力示意

Fig.1Schematic of weld spot forces

由圖1可知各變量間的關(guān)系為

σr，sum=CpFz+CB（-Mycos θ+Mxsin θ）-

Cs（Fxcos θ+Fysin θ）（2）

σθ，sum=νσr，sum（3）

τr，θ，sum=Cs（Fxsin θ-Fycos θ）-CTMz（4）

Cb=1-（dD）21+（dD）26πdt2

Ct=2πd2t（5）

Cp=ln（Dd）1-（dD）2-123πt2

Cs=1πdt（6）

式中：t為板厚；d為焊核直徑.

2焊點(diǎn)壽命的影響分析

采用的3種焊點(diǎn)模擬方法見圖2.圖2a為焊點(diǎn)通過CBAR單元模擬，CBAR端點(diǎn)與連接片體共節(jié)點(diǎn)連接，稱為梁單元焊點(diǎn)模型；圖2b為焊點(diǎn)通過CBAR單元模擬，連接片具有體現(xiàn)焊點(diǎn)直徑的圓孔，并用RBE2單元連成傘狀，與CBAR端點(diǎn)連接，稱為nugget焊點(diǎn)模型；圖3c焊點(diǎn)通過六面體單元模擬，六面體單元的節(jié)點(diǎn)通過RBE3與連接片體連接，稱為ACM焊點(diǎn)模型.

a）梁單元焊點(diǎn)模型b）nugget焊點(diǎn)模型c）ACM焊點(diǎn)模型

圖 23種焊點(diǎn)模型

Fig.2Three kinds of weld spot models

2.1仿真模型

樣件為2個(gè)盒狀結(jié)構(gòu)，通過4個(gè)焊點(diǎn)連接，焊點(diǎn)樣件見圖3.

圖 3焊點(diǎn)樣件

Fig.3Spotweld specimen

每個(gè)盒狀結(jié)構(gòu)的長、寬、高分別為120，120和50 mm，焊點(diǎn)間距為50 mm，均勻分布.鈑金厚度為1.0 mm，材料屈服強(qiáng)度為190 MPa，抗拉強(qiáng)度極限為320 MPa.有限元模型在MSC Nastran中建立，鈑金使用殼單元模擬.梁單元焊點(diǎn)模型的CBAR直徑為5 mm，長度為1 mm；nugget焊點(diǎn)模型的CBAR直徑為5 mm，長度為1 mm，孔徑為5 mm；ACM焊點(diǎn)模型的六面體與鈑金相鄰的面為正方形，其面積等于直徑為5 mm的圓的面積，六面體厚度1 mm，上、下面通過RBE2單元連接于A點(diǎn)和B點(diǎn).分析工況：約束A點(diǎn)y，z，Mx，My和Mz自由度，約束B點(diǎn)6個(gè)方向自由度，在A點(diǎn)x方向加載幅值為500 N的脈動(dòng)載荷.2.2網(wǎng)格尺寸對焊點(diǎn)疲勞壽命的影響

為考慮不同網(wǎng)格尺寸對疲勞壽命的影響，將4個(gè)焊點(diǎn)中的1個(gè)焊點(diǎn)連接局部區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，見圖4和5，并進(jìn)行疲勞仿真分析.a）原尺寸b）2倍網(wǎng)格細(xì)化c）4倍網(wǎng)格細(xì)化圖 4梁單元焊點(diǎn)模型和ACM焊點(diǎn)模型的3種網(wǎng)格尺寸

Fig.4Three kinds of mesh sizes for beamelement weld spot model and ACM weld spot model

a）原尺寸b）2倍網(wǎng)格細(xì)化c）4倍網(wǎng)格細(xì)化圖 5nugget焊點(diǎn)模型的3種網(wǎng)格尺寸

Fig.5Three kinds of mesh sizes for nugget weld spot model

針對每種網(wǎng)格對應(yīng)的損傷結(jié)果，取4個(gè)焊點(diǎn)中的最大損傷進(jìn)行歸一化處理.由于4個(gè)焊點(diǎn)位置完全對稱，且載荷和約束也對稱，所以4個(gè)焊點(diǎn)的損傷應(yīng)該相等，即損傷歸一化處理后應(yīng)均為1.

由表1可知，梁單元焊點(diǎn)模型的損傷受網(wǎng)格尺寸影響較大.隨著網(wǎng)格的細(xì)化，4個(gè)焊點(diǎn)的損傷分布趨于不合理，比值最大相差4.55倍.endprint

表 1梁單元焊點(diǎn)模型歸一化的損傷值

Tab.1Normalized damage values for beam element

weld spot model網(wǎng)格描述焊點(diǎn)1焊點(diǎn)2焊點(diǎn)3焊點(diǎn)4原網(wǎng)格1.001.001.001.00局部2倍細(xì)化網(wǎng)格0.450.991.000.99局部4倍細(xì)化網(wǎng)格0.220.991.000.99

由表2可知，ACM焊點(diǎn)模型的損傷受網(wǎng)格尺寸的影響也較大.隨著網(wǎng)格的細(xì)化，4個(gè)焊點(diǎn)的損傷分布趨于不合理，比值最大相差4.35倍.表 2ACM焊點(diǎn)模型歸一化的損傷值

Tab.2Normalized damage values for ACM weld spot model網(wǎng)格尺寸描述焊點(diǎn)1焊點(diǎn)2焊點(diǎn)3焊點(diǎn)4原網(wǎng)格1.00 1.00 1.00 1.00 局部2倍細(xì)化網(wǎng)格0.24 1.00 0.96 1.00 局部4倍細(xì)化網(wǎng)格0.23 1.00 0.96 1.00 由表3可知，nugget焊點(diǎn)模型的損傷受網(wǎng)格尺寸的影響相對較小.隨著網(wǎng)格的細(xì)化，損傷比值最大相差1.16倍，與梁單元焊點(diǎn)模型和ACM模型相比有很大改善.

表 3nugget焊點(diǎn)模型歸一化的損傷值

Tab.3Normalized damage values for nugget weld spot model網(wǎng)格尺寸描述焊點(diǎn)1焊點(diǎn)2焊點(diǎn)3焊點(diǎn)4原網(wǎng)格1.001.001.001.00局部2倍細(xì)化網(wǎng)格0.891.000.990.99局部4倍細(xì)化網(wǎng)格0.861.001.000.993疲勞仿真和試驗(yàn)相關(guān)性分析

通過某車身開裂案例，從損傷趨勢上比較采用不同焊點(diǎn)模擬方法時(shí)疲勞仿真壽命結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性.

試驗(yàn)描述：在路試中，車身有2處出現(xiàn)開裂，開裂1見圖6d，開裂2見圖7d，載荷來源于試驗(yàn)場數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行載荷分解.不同焊點(diǎn)建模方法見圖6和7.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，Spot 1的損傷應(yīng)大于Spot 2，Spot 3的損傷應(yīng)大于Spot 4.歸一化的疲勞損傷結(jié)果見表4和5，可見，nugget焊點(diǎn)模型能夠合理反映試驗(yàn)開裂趨勢，而梁單元焊點(diǎn)模型和ACM焊點(diǎn)模型與試驗(yàn)結(jié)果趨勢相悖.

a）梁單元焊點(diǎn)模型b）ACM焊點(diǎn)模型c）nugget焊點(diǎn)模型d）焊點(diǎn)開裂圖圖 6不同建模方法示意

Fig.6Schematic of different modeling methods

a）梁單元焊點(diǎn)模型b）ACM焊點(diǎn)模型c）nugget焊點(diǎn)模型d）焊點(diǎn)開裂圖圖 7不同建模方法建模示意

Fig.7Schematic of different modeling methods

表 4開裂1的不同焊點(diǎn)模型的歸一化損傷結(jié)果

Tab.4Normalized damage results of different spot

models for crack 1焊點(diǎn)類型Spot 1（開裂 1）Spot 2梁單元焊點(diǎn)模型0.101.00ACM焊點(diǎn)模型0.131.00nugget焊點(diǎn)模型1.000.64

表 5開裂2的不同焊點(diǎn)模型的歸一化損傷結(jié)果

Tab.5Normalized damage results of different spot

models for crack 2焊點(diǎn)類型Spot 3（開裂 2）Spot 4梁單元焊點(diǎn)模型0.691.00ACM焊點(diǎn)模型0.721.00Nugget焊點(diǎn)模型1.000.85

4結(jié)論

采用不同焊點(diǎn)建模方法，研究其對焊點(diǎn)疲勞仿真壽命的影響，得到以下結(jié)論.

1）梁單元焊點(diǎn)模型和ACM焊點(diǎn)模型受網(wǎng)格尺寸影響較大.如果網(wǎng)格尺寸一致性不好，得到的壽命分布趨勢可能不合理.在進(jìn)行壽命對比時(shí)，可能給出分布趨勢的錯(cuò)誤判斷，所以需要保證焊點(diǎn)連接位置網(wǎng)格尺寸的一致性.

2）nugget焊點(diǎn)模型受網(wǎng)格尺寸影響相對較小，周邊網(wǎng)格不需要嚴(yán)格的尺寸一致性，也可給出相對合理的壽命分布趨勢結(jié)果.參考文獻(xiàn)：

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（編輯 武曉英）endprint

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