焊点模拟方法对疲劳仿真寿命的影响
2015-01-13孟凡亮张林波吴泽勋
孟凡亮+张林波+吴泽勋
摘要： 为改善焊点疲劳仿真寿命分布的合理性，基于盒状样件，讨论焊点的模拟方法对疲劳仿真寿命的影响，并进行疲劳仿真结果与试验结果的对比分析.结果表明，梁单元焊点模型和ACM焊点模型受网格尺寸的影响较大；而nugget焊点模型受网格尺寸影响相对较小，即使在焊点周边的网格尺寸一致性不好的情况下，该模型也能给出相对合理的寿命分布结果.
关键词： 焊点疲劳； 疲劳仿真； 梁单元焊点； ACM焊点； nugget焊点； 寿命分布
中图分类号： TG113.263； TB115.1文献标志码： B
0引言
点焊是汽车零部件的主要连接方法，每一个车身中大约有3 000～5 000个焊点.在车身耐久试验过程中，90%以上的车身开裂源于焊点.[1]可见，焊点的正确模拟对早期的车身疲劳寿命预测具有非常重要的意义.
焊点疲劳仿真主要采用结构应力作为疲劳参数进行分析，而其结构应力一般通过简化的焊点模型获得.目前，简化焊点模型主要采用梁单元或实体单元[2]模拟，其与连接片体之间存在多种连接方式，如可采用共节点直接连接[3]，RBE2单元伞状连接[45]，RBE3单元伞状连接[67]和梁单元伞状连接[89]等.
目前，关于焊点模拟方法对疲劳仿真寿命的影响研究较少.本文选择最常用的3种焊点简化模型，考虑网格尺寸对仿真寿命的影响，并进行案例分析验证.
1焊点疲劳寿命评估方法
目前广泛使用的焊点疲劳寿命评估方法把结构应力作为疲劳参数进行分析.本文采用的结构应力通过焊点所受6个方向力确定.[10]σp1，σp2=σr，sum+σθ，sum±（σr，sum-σθ，sum）2+4τr，θ，sum2（1）式中：σp1和σp2分别为焊核边缘上的主应力；σr，sum，σθ，sum和τr，θ，sum为焊核边缘上的应力分量.式（1）的最大值即为结构应力.
焊点受力示意见图1，其中：焊点直角坐标系（Oxyz）和球面坐标系（Orθz）的原点均位于焊核中心处；Fz为焊点所受轴向力；Mx和My为焊点所受的弯矩；Fx和Fy为焊点所受的剪力；Mz为焊点所受的扭矩；D为约束直径.
图 1焊点受力示意
Fig.1Schematic of weld spot forces
由图1可知各变量间的关系为
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为板厚；d为焊核直径.
2焊点寿命的影响分析
采用的3种焊点模拟方法见图2.图2a为焊点通过CBAR单元模拟，CBAR端点与连接片体共节点连接，称为梁单元焊点模型；图2b为焊点通过CBAR单元模拟，连接片具有体现焊点直径的圆孔，并用RBE2单元连成伞状，与CBAR端点连接，称为nugget焊点模型；图3c焊点通过六面体单元模拟，六面体单元的节点通过RBE3与连接片体连接，称为ACM焊点模型.
a）梁单元焊点模型b）nugget焊点模型c）ACM焊点模型
图 23种焊点模型
Fig.2Three kinds of weld spot models
2.1仿真模型
样件为2个盒状结构，通过4个焊点连接，焊点样件见图3.
图 3焊点样件
Fig.3Spotweld specimen
每个盒状结构的长、宽、高分别为120，120和50 mm，焊点间距为50 mm，均匀分布.钣金厚度为1.0 mm，材料屈服强度为190 MPa，抗拉强度极限为320 MPa.有限元模型在MSC Nastran中建立，钣金使用壳单元模拟.梁单元焊点模型的CBAR直径为5 mm，长度为1 mm；nugget焊点模型的CBAR直径为5 mm，长度为1 mm，孔径为5 mm；ACM焊点模型的六面体与钣金相邻的面为正方形，其面积等于直径为5 mm的圆的面积，六面体厚度1 mm，上、下面通过RBE2单元连接于A点和B点.分析工况：约束A点y，z，Mx，My和Mz自由度，约束B点6个方向自由度，在A点x方向加载幅值为500 N的脉动载荷.2.2网格尺寸对焊点疲劳寿命的影响
为考虑不同网格尺寸对疲劳寿命的影响，将4个焊点中的1个焊点连接局部区域进行细化，见图4和5，并进行疲劳仿真分析.a）原尺寸b）2倍网格细化c）4倍网格细化图 4梁单元焊点模型和ACM焊点模型的3种网格尺寸
Fig.4Three kinds of mesh sizes for beamelement weld spot model and ACM weld spot model
a）原尺寸b）2倍网格细化c）4倍网格细化图 5nugget焊点模型的3种网格尺寸
Fig.5Three kinds of mesh sizes for nugget weld spot model
针对每种网格对应的损伤结果，取4个焊点中的最大损伤进行归一化处理.由于4个焊点位置完全对称，且载荷和约束也对称，所以4个焊点的损伤应该相等，即损伤归一化处理后应均为1.
由表1可知，梁单元焊点模型的损伤受网格尺寸影响较大.随着网格的细化，4个焊点的损伤分布趋于不合理，比值最大相差4.55倍.endprint
表 1梁单元焊点模型归一化的损伤值
Tab.1Normalized damage values for beam element
weld spot model网格描述焊点1焊点2焊点3焊点4原网格1.001.001.001.00局部2倍细化网格0.450.991.000.99局部4倍细化网格0.220.991.000.99
由表2可知，ACM焊点模型的损伤受网格尺寸的影响也较大.随着网格的细化，4个焊点的损伤分布趋于不合理，比值最大相差4.35倍.表 2ACM焊点模型归一化的损伤值
Tab.2Normalized damage values for ACM weld spot model网格尺寸描述焊点1焊点2焊点3焊点4原网格1.00 1.00 1.00 1.00 局部2倍细化网格0.24 1.00 0.96 1.00 局部4倍细化网格0.23 1.00 0.96 1.00 由表3可知，nugget焊点模型的损伤受网格尺寸的影响相对较小.随着网格的细化，损伤比值最大相差1.16倍，与梁单元焊点模型和ACM模型相比有很大改善.
表 3nugget焊点模型归一化的损伤值
Tab.3Normalized damage values for nugget weld spot model网格尺寸描述焊点1焊点2焊点3焊点4原网格1.001.001.001.00局部2倍细化网格0.891.000.990.99局部4倍细化网格0.861.001.000.993疲劳仿真和试验相关性分析
通过某车身开裂案例，从损伤趋势上比较采用不同焊点模拟方法时疲劳仿真寿命结果与试验结果的相关性.
试验描述：在路试中，车身有2处出现开裂，开裂1见图6d，开裂2见图7d，载荷来源于试验场数据采集，并进行载荷分解.不同焊点建模方法见图6和7.根据试验结果可知，Spot 1的损伤应大于Spot 2，Spot 3的损伤应大于Spot 4.归一化的疲劳损伤结果见表4和5，可见，nugget焊点模型能够合理反映试验开裂趋势，而梁单元焊点模型和ACM焊点模型与试验结果趋势相悖.
a）梁单元焊点模型b）ACM焊点模型c）nugget焊点模型d）焊点开裂图图 6不同建模方法示意
Fig.6Schematic of different modeling methods
a）梁单元焊点模型b）ACM焊点模型c）nugget焊点模型d）焊点开裂图图 7不同建模方法建模示意
Fig.7Schematic of different modeling methods
表 4开裂1的不同焊点模型的归一化损伤结果
Tab.4Normalized damage results of different spot
models for crack 1焊点类型Spot 1（开裂 1）Spot 2梁单元焊点模型0.101.00ACM焊点模型0.131.00nugget焊点模型1.000.64
表 5开裂2的不同焊点模型的归一化损伤结果
Tab.5Normalized damage results of different spot
models for crack 2焊点类型Spot 3（开裂 2）Spot 4梁单元焊点模型0.691.00ACM焊点模型0.721.00Nugget焊点模型1.000.85
4结论
采用不同焊点建模方法，研究其对焊点疲劳仿真寿命的影响，得到以下结论.
1）梁单元焊点模型和ACM焊点模型受网格尺寸影响较大.如果网格尺寸一致性不好，得到的寿命分布趋势可能不合理.在进行寿命对比时，可能给出分布趋势的错误判断，所以需要保证焊点连接位置网格尺寸的一致性.
2）nugget焊点模型受网格尺寸影响相对较小，周边网格不需要严格的尺寸一致性，也可给出相对合理的寿命分布趋势结果.参考文献：
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