基于動(dòng)態(tài)顯示分析法的焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測研究

鄭與波，臧宏建，丁智

基于動(dòng)態(tài)顯示分析法的焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測研究

鄭與波，臧宏建，丁智

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000）

傳統(tǒng)汽車車身主要的連接方式是電阻點(diǎn)焊，電阻點(diǎn)焊的CAE模擬方式種類較多，常見的模擬方式有ACM模擬法，CWELD模擬法，SPIDER模擬法，F(xiàn)EFAT SPOT模擬法等。上述不同的焊點(diǎn)模擬方式對車身的模態(tài)剛度等基礎(chǔ)性能的仿真計(jì)算結(jié)果影響不大，這些模擬方式都能實(shí)現(xiàn)其主要的連接功能。但是如果需要考慮焊接熱影響區(qū)的性能，就要選擇特定的焊點(diǎn)模擬方式，并需要對焊點(diǎn)建模局部進(jìn)行特殊的處理，比如高速碰撞過程中需要考慮焊點(diǎn)撕裂，車身耐久分析中需要考慮焊點(diǎn)的疲勞失效等。文章基于滑移門開關(guān)閉耐久工況進(jìn)行CAE與試驗(yàn)對標(biāo)，對焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：對于動(dòng)態(tài)顯示分析法，焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測分析需要使用FEFAT SPOT模型，其中焊核尺寸大小的模擬需要進(jìn)行0.8倍的縮放。

動(dòng)態(tài)顯示；模態(tài)瞬態(tài)；焊點(diǎn)疲勞；滑移門；開關(guān)閉耐久

引言

車身是汽車的重要組成部分，其主要作用是保護(hù)駕乘人員及構(gòu)成良好的空氣力學(xué)環(huán)境，其主要分為承載式車身和飛承載式車身，對于乘用車而言，大部分都采用承載式車身。開閉件是安裝在車身上可以實(shí)現(xiàn)開啟與關(guān)閉功能的系統(tǒng)，一板包括前后門和前后蓋，均可以實(shí)現(xiàn)在汽車行駛過程中處于關(guān)閉密封狀態(tài)，而在車輛停止?fàn)顟B(tài)，可以有開啟的功能。車身和開閉件可以組成一個(gè)封閉的整體，一共約有近千個(gè)零部件組成，而這些零部件主要通過電阻點(diǎn)焊連接在一起，車身開閉件大約有4 000～5 000個(gè)焊點(diǎn)。在涉及到車身開閉件的CAE有限元分析中，焊點(diǎn)一般通過梁單元或體單元來模擬，如ACM，CWELD，SPIDER，F(xiàn)EFAT SPOT等等。對于車身彎扭剛度和模態(tài)計(jì)算，上述不同焊點(diǎn)模擬方式對結(jié)果影響不大，但是對于需要考慮焊接熱影響區(qū)的性能分析計(jì)算，如高速碰撞過程中，焊點(diǎn)被撕裂失效的模擬，車身耐久分析中焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測分析計(jì)算等，就需要選用特殊的焊點(diǎn)模擬方式和特殊的建模需求。本文基于滑移門開關(guān)閉耐久工況進(jìn)行CAE與試驗(yàn)對標(biāo)，對焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：對于動(dòng)態(tài)顯示分析法，焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測分析需要使用FEFAT SPOT焊點(diǎn)建模方式，其中焊核大小的模擬需要進(jìn)行0.8倍的縮放。

1 理論及背景介紹

1.1 基礎(chǔ)理論介紹

汽車行業(yè)使用的金屬材料點(diǎn)焊焊接疲勞特性主要包括如下三點(diǎn)：

（1）焊點(diǎn)的疲勞特性與母材的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)不大[1]；

（2）焊點(diǎn)的疲勞特性主要受幾何因素的影響，如母材厚度、焊核大小、樣件的尺寸等；

（3）焊點(diǎn)的平均應(yīng)力對焊點(diǎn)的疲勞壽命影響不大。

SAE（汽車工程協(xié)會(huì)）推薦的標(biāo)準(zhǔn)焊點(diǎn)計(jì)算的測試方法有剝離測試（Coach Peel）和剪切測試（Tensile Shear）[2]，如圖1。得到行業(yè)普遍認(rèn)可的焊點(diǎn)疲勞分析方法有五種[3]：基于斷裂力學(xué)的Swllam的方法、基于應(yīng)力的Rupp-Storzel- Grubisic方法、Kang-Dong-Hong方法、Sheppard方法和Kang的方法。這五種分析方法計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均吻合得較好，其中Swellam的方法相比其他四種方法稍差，Swellam的方法的數(shù)據(jù)分散性較大[4]。

圖1 SAE推薦的焊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測試方法

在焊點(diǎn)分析的方法中，也可以進(jìn)一步分為兩種不同的方法。一類是通過線性有限元計(jì)算得到焊點(diǎn)和焊點(diǎn)邊緣上節(jié)點(diǎn)的力和力矩，再使用各種焊點(diǎn)的理論和力學(xué)模型計(jì)算焊點(diǎn)和焊點(diǎn)邊緣的應(yīng)力，這類應(yīng)力被稱為焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，上述四種基于應(yīng)力的焊點(diǎn)分析方法都是屬于這一類方法。結(jié)構(gòu)應(yīng)力法比較簡單，主要是根據(jù)工程分析的實(shí)際需求發(fā)展起來的，在工程中應(yīng)用較多，有些已經(jīng)在商用軟件中被采用。在疲勞軟件nCode中，焊點(diǎn)的分析采用Rupp-Storzel-Grubisic方法。另一類應(yīng)力法直接計(jì)算和利用有限元模型中單元應(yīng)力進(jìn)行焊點(diǎn)分析，可以稱為有限單元應(yīng)力法，文獻(xiàn)[5]中使用了類似的方法進(jìn)行焊點(diǎn)疲勞的分析和對標(biāo)。

下面基于Rupp-Storzel-Grubisic方法[6]來介紹焊點(diǎn)疲勞分析方法。此方法用一維剛性單元或桿單元來模擬焊點(diǎn)連接鈑金件，用線性有限元的方法獲得鈑金件連接處的力和力矩，再進(jìn)一步計(jì)算焊核內(nèi)部和鈑金件延焊核邊緣的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。如下圖2所示焊點(diǎn)受力示意圖，焊點(diǎn)簡化成一個(gè)桿單元，假設(shè)板1厚度，焊核直徑，沿焊核軸向的方向?yàn)椋更c(diǎn)所連接的平面為-平面，垂直于焊核軸向方向。從有限元分析得到的一維單元節(jié)點(diǎn)三個(gè)方向的力和力矩為：F、F、F、M、M、M。

圖2 焊點(diǎn)一端受力

焊核內(nèi)應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

軸向（法向）應(yīng)力為：

彎曲應(yīng)力為：

最大剪切應(yīng)力為：

鈑金上沿著焊核周圈的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著角度α的變化而變化，其計(jì)算公式為[7]：

1.2 背景介紹

對于車身和開閉件焊點(diǎn)耐久分析，通常采用準(zhǔn)靜態(tài)或模態(tài)瞬態(tài)分析法，焊點(diǎn)疲勞分析一般采用ACM（Area Contact Methods）模擬方法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是建模簡單，分析結(jié)果一致性較好，缺點(diǎn)是ACM焊點(diǎn)兩端鈑金的力和力矩的大小受焊點(diǎn)連接鈑金單元分布有關(guān)，但是總體上ACM焊點(diǎn)分析法結(jié)果一致性較好，疲勞分析商業(yè)軟件nCode中也是推薦使用ACM分析法。

對于傳統(tǒng)側(cè)開車門開關(guān)閉耐久仿真分析采用非線性瞬態(tài)法，焊點(diǎn)疲勞使用ACM分析法，但是對于滑移門開關(guān)閉耐久仿真分析不能使用瞬態(tài)分析法，因?yàn)榛崎T實(shí)現(xiàn)開關(guān)閉功能的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是導(dǎo)軌和滑輪機(jī)構(gòu)，如果采用傳統(tǒng)側(cè)開門開關(guān)閉耐久的瞬態(tài)分析法，則不能模擬出滑移門滾輪與導(dǎo)軌之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系，更無法得到焊點(diǎn)疲勞分析所需的精確的力和力矩，只有使用動(dòng)態(tài)顯示分析法，才能模擬出導(dǎo)軌和滑輪之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及焊點(diǎn)疲勞分析所需要的力和力矩。為了滿足滑移門開關(guān)閉耐久的分析需求，本論文選擇了LS-DYNA軟件中顯示分析模塊進(jìn)行有限元仿真分析，使用FEFAT-SPOT焊點(diǎn)模型。疲勞分析選用nCode軟件。

2 動(dòng)態(tài)顯示法焊點(diǎn)疲勞分析研究

2.1 基于子模型的對標(biāo)研究

基于動(dòng)態(tài)顯示法的焊點(diǎn)疲勞分析，前期沒有太多項(xiàng)目分析的經(jīng)驗(yàn)可以參考，也沒有太多參考文獻(xiàn)，所以需要基于一個(gè)子模型進(jìn)行對標(biāo)研究，找到合適的方法和參數(shù)之后，再基于滑移門系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)與CAE對標(biāo)。

圖3 焊點(diǎn)疲勞研究模型圖

圖4 加載力F圖示（循環(huán)20萬次）

如圖3所示，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的板殼焊接模型，用于研究不同仿真方法的焊點(diǎn)疲勞壽命。如圖模型中含有焊點(diǎn)兩種典型的失效的受力模式——剪切和剝離。邊界條件為：右側(cè)鈑金中部全約束，向左加載0～600 N勻速增加的力，持續(xù)時(shí)間20毫秒，循環(huán)20萬次，如圖4。基于上述的邊界條件和加載條件，使用ACM分析法（圖5(a)所示）計(jì)算焊點(diǎn)疲勞壽命作為目標(biāo)，使用FEFAT-SPOT分析法（圖5(b)所示）計(jì)算焊點(diǎn)的疲勞壽命，并通過調(diào)整有限元模型參數(shù)得到一系列焊點(diǎn)疲勞壽命結(jié)果。表1和表2對比了基于子模型的6個(gè)焊點(diǎn)在使用ACM法和FEFAT-SPOT法不同建模參數(shù)的疲勞壽命結(jié)果，圖6和圖7分別是表1和表2的散點(diǎn)圖示，更加直觀。

圖5 焊點(diǎn)模擬方式圖示

表1 FEFAT-SPOT焊核周圈8節(jié)點(diǎn)疲勞壽命對比

焊點(diǎn)類型焊點(diǎn)參數(shù)焊點(diǎn)單元疲勞壽命（%） P1P2P3P4P5P6 ACM0.53*area531.4715.6295.2486.3876.7608 FEFAT SPOT0.3*DWasher*8185886654584314543024402 FEFAT SPOT0.58*DWasher*8164271743690277240772696 FEFAT SPOT0.8*DWasher*8166971413476265237793387 FEFAT SPOT1.5*DWasher*8178735741767197718272741

表2 FEFAT-SPOT焊核周圈16節(jié)點(diǎn)疲勞壽命對比

焊點(diǎn)類型焊點(diǎn)參數(shù)焊點(diǎn)單元疲勞壽命（%） P1P2P3P4P5P6 ACM0.53*area531.4715.6295.2486.3876.7608 FEFAT SPOT0.3*DWasher*16152750783079225031312848 FEFAT SPOT0.58*DWasher*16631.21398955.6747.61112891.5 FEFAT SPOT0.7*DWasher*16505.9788.6705.5577.2632633 FEFAT SPOT0.8*DWasher*16413.1659.3430.1393.6519.5502.5 FEFAT SPOT1.5*DWasher*16131.7131.1125.3119133.3156.2

通過對比不同仿真參數(shù)的焊點(diǎn)疲勞壽命（圖7和圖8），可以得出如下結(jié)論：基于動(dòng)態(tài)顯示分析，焊點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算模型為FEFAT-SPOT模型，同時(shí)焊核直徑需要縮小至原來的0.8倍，焊核周圈有限單元節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于16。

圖6 FEFAT-SPOT焊核周圈8節(jié)點(diǎn)疲勞壽命對比

圖7 FEFAT-SPOT焊核周圈16節(jié)點(diǎn)疲勞壽命對比

圖 8 FEFAT-SPOT焊點(diǎn)不同參數(shù)模型對比

2.2 基于滑移門系統(tǒng)開關(guān)閉耐久對標(biāo)

圖9 某車型滑移門開關(guān)閉耐久試驗(yàn)失效問題

圖10 緩沖座處焊點(diǎn)鈑金CAE計(jì)算結(jié)果（目標(biāo)>200 %）

某搭載滑移門的車型在開發(fā)過程中，開關(guān)閉耐久試驗(yàn)出現(xiàn)了多處焊點(diǎn)及鈑金開裂失效。由于前期仿真經(jīng)驗(yàn)不足，并未作出很好的預(yù)測和改進(jìn)。對于試驗(yàn)中失效的問題，基于上文中的分析方法，CAE復(fù)現(xiàn)了問題并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，再次試驗(yàn)驗(yàn)證，所有失效問題全部得到解決。

圖11 水切處鈑金及導(dǎo)軌處焊點(diǎn)CAE結(jié)果（目標(biāo)>200 %）

3 結(jié)論

通過上述研究及對標(biāo)分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對于滑移門開關(guān)閉耐久CAE分析，需要使用動(dòng)態(tài)顯示分析法，并使用FEFAT-SPOT焊點(diǎn)模型來預(yù)測焊點(diǎn)疲勞壽命；

（2）通過CAE與試驗(yàn)對標(biāo)，可以看出，上述方法可以很好地復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)類失效問題，并利用仿真手段制定優(yōu)化措施，從而實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的目的；

（3）基于動(dòng)態(tài)顯示有限元分析法，焊點(diǎn)疲勞壽命CAE計(jì)算使用FEFAT-SPOT焊點(diǎn)模型，CAE分析結(jié)果可以很好地與試驗(yàn)結(jié)果吻合；

（4）FEFAT-SPOT焊點(diǎn)模型在動(dòng)態(tài)顯示分析中應(yīng)用，需要保證焊點(diǎn)局部模型的的網(wǎng)格尺寸約3 mm，焊核模型尺寸需要縮小至原尺寸的0.8倍，同時(shí)焊核周圈有限單元節(jié)點(diǎn)數(shù)不少于16。

[1] 兆文忠,李向偉,董平沙.焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)理論與方法[J].焊接技術(shù),2017(08):70.

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[7] JOEL ANDERSSON, Fatigue Life and Stiffness of the Spider Spot Weld Model, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2014:22.

The Study of Fatigue Life Prediction of Spot Weld Based on Dynamic Explicit Analysis

ZHENG Yubo, ZANG Hongjian, DING Zhi

( Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315000 )

The traditional connection way of body in white is resistance spot weld, there are some different simulation methods for spot weld such as ACM, CWELD, SPIDER, FEFAT SPOT etc. There is little effect for modal and stiffness calculation result of BIW as the connection function of spot weld can be simulated well for mentioned simulation methods of spot weld. While if the performance of heat affected zone need be considered, the specific simulation and modeling methods should be used such as consideration of spot weld crack failure for high speed impact load case and fatigue analysis of body. For this paper, the correlation between CAE and test has been done for sliding door slam fatigue load case in order to study the CAE method of spot weld fatigue life prediction. The result shows FEFAT SPOT simulation method and the 0.8 factor scaled spot nugget shall be used for CAE analysis of spot weld fatigue life prediction for dynamic implicit method.

Dynamic implicit; Modal transient method; Spot weld fatigue; Sliding door; Slam fatigue

U466

A

1671-7988(2021)20-147-04

U466

A

1671-7988(2021)20-147-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.036

鄭與波（1986—），男，就職于吉利汽車研究院整車工程中心整車仿真技術(shù)開發(fā)部，耐久屬性開發(fā)主任工程師，主攻方向：車身開閉件結(jié)構(gòu)耐久仿真及研究。