謝 斌 成艾國(guó) 陳 濤 董立強(qiáng)

湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

基于汽車(chē)碰撞仿真的實(shí)體單元焊點(diǎn)模擬方法研究

謝 斌 成艾國(guó) 陳 濤 董立強(qiáng)

湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

總結(jié)了幾種當(dāng)前常用的焊點(diǎn)模擬方法，針對(duì)汽車(chē)碰撞有限元模擬中所使用的點(diǎn)焊連接模型存在的建模效率及模擬精度等方面的問(wèn)題，提出使用實(shí)體單元集合對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，并通過(guò)薄壁梁碰撞試驗(yàn)，建立了實(shí)體單元集合及Beam單元有限元模型，并系統(tǒng)對(duì)比分析了其模擬精度，結(jié)果認(rèn)為使用HEX8實(shí)體焊點(diǎn)模擬方法對(duì)焊點(diǎn)的模擬是最為準(zhǔn)確的。通過(guò)部件試驗(yàn)確定了焊點(diǎn)失效參數(shù)，將實(shí)體焊點(diǎn)HEX8模擬方法應(yīng)用于整車(chē)耐撞性仿真分析中，得到了較為精確的仿真結(jié)果。實(shí)車(chē)試驗(yàn)證明，該新型焊點(diǎn)模型具有較高的精度及較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

焊點(diǎn)；實(shí)體單元；碰撞；部件試驗(yàn)；失效

0 引言

電阻點(diǎn)焊作為一種質(zhì)量輕、靜強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的連接方式，在汽車(chē)工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在每輛轎車(chē)車(chē)身上，一般有4000～6000個(gè)焊點(diǎn)。使用有限元方法進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)時(shí)，焊點(diǎn)有限元模型應(yīng)具有高的模擬精度和較短的建模時(shí)間，它是保證車(chē)身計(jì)算結(jié)果正確并具有較高精度的關(guān)鍵。尋求一種真實(shí)可靠的焊點(diǎn)模擬方法一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。高衛(wèi)民等［1］采用無(wú)質(zhì)量剛性梁焊點(diǎn)模型進(jìn)行了整車(chē)耐撞性能分析，得到了較好的結(jié)果。施欲亮等［2］認(rèn)為在汽車(chē)碰撞有限元仿真中，用Beam梁模型來(lái)模擬點(diǎn)焊連接關(guān)系要比剛性梁模型更加合理。Heubrandtner等［3］提出了一種新型的傘狀焊點(diǎn)模型。Xiang等［4］分析了16種不同焊點(diǎn)單元模擬方法，并認(rèn)為焊點(diǎn)的布置對(duì)耐撞性能有非常明顯的影響。項(xiàng)玉江等［5］通過(guò)一系列分析及試驗(yàn)對(duì)比，認(rèn)為在焊點(diǎn)建模過(guò)程中，無(wú)論用何種模型都應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)直徑的影響予以考慮，否則將使模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。呂濤等［6］研究發(fā)現(xiàn)，焊接殘余應(yīng)力會(huì)影響材料的屈服極限，從而影響部件的疲勞強(qiáng)度。

本文首先比較了目前碰撞仿真中使用頻率最高的無(wú)質(zhì)量剛性梁、Beam單元等幾種焊點(diǎn)模擬方法，然后通過(guò)分析焊點(diǎn)的真實(shí)受力，描述了使用實(shí)體單元集合模擬焊點(diǎn)的方法。進(jìn)行薄壁梁落錘試驗(yàn)，對(duì)比Beam單元與實(shí)體單元集合焊點(diǎn)模型，找出了模擬精度較高的有限元焊點(diǎn)模型。通過(guò)進(jìn)行部件試驗(yàn)計(jì)算確定了焊點(diǎn)失效參數(shù)，并將其應(yīng)用在整車(chē)耐撞性分析中。整車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果證明新的焊點(diǎn)模型具有非常高的精度。

1 常用焊點(diǎn)模擬方法

1.1 無(wú)質(zhì)量剛性梁焊點(diǎn)模型

在碰撞有限元仿真分析中，對(duì)汽車(chē)鈑金件一般使用位于板厚中間位置的殼單元（中位面）來(lái)進(jìn)行模擬。剛性梁焊點(diǎn)模擬方法就是在焊點(diǎn)位置上用無(wú)質(zhì)量剛性梁來(lái)連接殼單元相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)耦合焊點(diǎn)位置相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度來(lái)模擬焊點(diǎn)的力學(xué)行為，這是一種最為簡(jiǎn)單的焊點(diǎn)模擬方法。此模擬方法要求在建模時(shí)，焊點(diǎn)處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)必須對(duì)齊，以使剛性梁垂直于所連接的面，如圖1所示。這種模擬方法建模效率高，但是它對(duì)結(jié)構(gòu)件網(wǎng)格建模要求很高，特別是對(duì)于復(fù)雜的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)件，有限元建模工作會(huì)非常困難，且此模型模擬精度偏低，無(wú)法對(duì)焊點(diǎn)的失效現(xiàn)象進(jìn)行模擬。

圖1 剛性梁焊點(diǎn)模型

1.2 Beam單元焊點(diǎn)模型

Beam單元焊點(diǎn)模型使用Beam單元連接兩層殼單元，力通過(guò)梁?jiǎn)卧獊?lái)進(jìn)行傳遞。該模型通過(guò)定義Beam單元的材料屬性來(lái)模擬焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變特性，通過(guò)定義接觸來(lái)連接殼單元與Beam單元，使得這種焊點(diǎn)模型不依賴網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，可以在單元表面創(chuàng)建，建模過(guò)程比較簡(jiǎn)單，且力不通過(guò)單元節(jié)點(diǎn)傳遞，而通過(guò)單元面?zhèn)鬟f，這種傳遞方式可以比較真實(shí)地模擬焊點(diǎn)的受力情況，如圖2所示。目前在工程中應(yīng)用最多的焊點(diǎn)模擬方式即為這種。使用此模型可以模擬焊點(diǎn)的失效行為，但是此種模型對(duì)焊點(diǎn)失效模擬的準(zhǔn)確性受網(wǎng)格劃分的影響很大，因此很難準(zhǔn)確地模擬失效。

圖2 Beam單元焊點(diǎn)模型

1.3 體單元焊點(diǎn)模型

體單元焊點(diǎn)模型使用實(shí)體單元對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，體單元和焊接位置殼單元使用公用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，此方法從三維角度盡可能準(zhǔn)確地模擬了焊點(diǎn)，如圖3所示。力和力矩都通過(guò)體單元來(lái)傳遞，通常具有較高的模擬精度，但其建模過(guò)程非常復(fù)雜，網(wǎng)格獨(dú)立性無(wú)法得到保證，必須網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng)時(shí)才能進(jìn)行實(shí)體單元建模。對(duì)于復(fù)雜的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)，這種體單元焊點(diǎn)連接方式對(duì)有限元網(wǎng)格劃分提出了非常高的要求，極大地增加了有限元建模工作量，且其本身的建模難度也極高，因此它在通常的有限元分析中基本難以得到實(shí)現(xiàn)。

圖3 傳統(tǒng)體單元焊點(diǎn)模型

由于目前常用焊點(diǎn)模擬方法存在的種種不足，使得其很難在大型有限元計(jì)算模型中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，故我們需要尋求一種更為精確的焊點(diǎn)模擬方法，不僅要求建模過(guò)程簡(jiǎn)單，還要能夠準(zhǔn)確地模擬焊點(diǎn)受力，從而準(zhǔn)確地模擬乃至預(yù)測(cè)焊點(diǎn)失效的發(fā)生。

2 實(shí)體單元集合焊點(diǎn)模擬方法

2.1 焊點(diǎn)受力分析

實(shí)際情況下單個(gè)焊點(diǎn)所受到的力與力矩可以分解如圖4所示。圖4中的坐標(biāo)系使用的是LS－DYNA軟件中定義的局部坐標(biāo)系，RST指的是單個(gè)焊點(diǎn)局部的三維坐標(biāo)系，NRR，NRT，NRS，MRR，MTT，MSS 為 DYNA中控制焊點(diǎn)失效的六個(gè)參數(shù)。

圖4 焊點(diǎn)受力示意圖

由圖4可以看出，真實(shí)情況下，單個(gè)焊點(diǎn)承受的有三個(gè)方向的力以及三個(gè)方向的轉(zhuǎn)矩共6個(gè)載荷，傳統(tǒng)Beam單元與每層殼單元只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)接觸進(jìn)行連接，只能傳遞力而不能傳遞轉(zhuǎn)矩，故無(wú)法有效地對(duì)焊點(diǎn)的真實(shí)受力進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。而使用實(shí)體單元對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬時(shí)則不同，因?yàn)楹更c(diǎn)是通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)與殼單元相連，不僅能對(duì)焊點(diǎn)的受力進(jìn)行傳遞，而且能夠準(zhǔn)確地模擬出焊點(diǎn)所受到的各方向的轉(zhuǎn)矩。目前，國(guó)外已有相關(guān)科研人員對(duì)實(shí)體焊點(diǎn)模擬方法進(jìn)行相關(guān)的研究工作。Malcolm等［7］通過(guò)對(duì)比不同實(shí)體焊點(diǎn)模擬方法，確定了一種較為精確的模擬方法并在部件試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。Wu［8］發(fā)現(xiàn)使用實(shí)體單元焊點(diǎn)及全積分殼單元模型是最為準(zhǔn)確的模擬方式。但實(shí)體焊點(diǎn)模擬方法在整車(chē)碰撞仿真中的應(yīng)用基本處于空白。

2.2 實(shí)體單元集合模擬方法

在傳統(tǒng)的焊點(diǎn)模擬方法中，焊點(diǎn)建模工作量與模擬精度間的矛盾一直困擾著科研工作者。在LSTC公司最新的LS－DYNA971中，用戶可以通過(guò)定義＊CONTROL＿SPOTWELD＿BEAM以及＊DEFINE＿HEX＿SPOTWELD＿ASSEMBLY兩個(gè)關(guān)鍵字使用一組實(shí)體單元的集合來(lái)對(duì)單個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬［9］。

在圖5中，HEX1表示使用單個(gè)實(shí)體單元來(lái)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，而HEX4則表示使用4個(gè)實(shí)體單元所組成的集合來(lái)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，HEX8為使用8個(gè)實(shí)體單元集合對(duì)單個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬。實(shí)體單元集合焊點(diǎn)模擬方法得到的焊點(diǎn)相關(guān)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出并不基于單個(gè)實(shí)體單元，而基于模擬一個(gè)焊點(diǎn)的所有實(shí)體單元的集合。使用實(shí)體單元集合對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，焊點(diǎn)上多個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)固連接觸與殼單元連接，這種連接方法更加穩(wěn)固，且能夠準(zhǔn)確地捕捉焊點(diǎn)位置的變形及所承受的載荷，這便使得實(shí)體單元集合焊點(diǎn)模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬甚至預(yù)測(cè)焊點(diǎn)失效的發(fā)生，為整車(chē)開(kāi)發(fā)提供更加準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

圖5 實(shí)體單元集合焊點(diǎn)模擬

3 薄壁梁碰撞模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)比驗(yàn)證各種焊點(diǎn)模擬方法的準(zhǔn)確性，將各種實(shí)體單元集合及最常用的Beam單元應(yīng)用到薄壁梁碰撞試驗(yàn)仿真中進(jìn)行對(duì)比分析，然后將仿真結(jié)果與薄壁梁落錘碰撞試驗(yàn)進(jìn)行比較。

3.1 薄壁梁落錘碰撞試驗(yàn)

使用薄壁梁落錘碰撞試驗(yàn)來(lái)對(duì)比驗(yàn)證不同焊點(diǎn)模型精度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)［10］。薄壁梁的具體幾何尺寸如圖6所示，其中a＝63.6mm，b＝52.6mm，f＝22.2mm，r1＝r2＝2mm，板厚t＝1.7mm，長(zhǎng)h＝300mm，焊點(diǎn)間距s＝39mm，焊點(diǎn)直徑d＝5.4mm。薄壁梁所用材料為DP600，其彈性模量為207GPa，屈服強(qiáng)度為300MPa，抗拉強(qiáng)度為620MPa，延伸率為25%，拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)n為0.15。材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，將薄壁梁底端固定在試驗(yàn)臺(tái)上，防止其側(cè)向滑動(dòng)。落錘質(zhì)量為148.2kg，下落高度為4.27m，即落錘以9.15m／s的速度沖擊薄壁梁。試驗(yàn)中使用壓電式傳感器記錄碰撞沖擊力，光電傳感器記錄落錘的位移，而薄壁梁的壓縮量則是通過(guò)人工測(cè)量計(jì)算得到的。

圖6 薄壁梁截面形狀

圖7 DP600材料曲線

3.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖8 仿真與試驗(yàn)變形結(jié)果對(duì)比

四種焊點(diǎn)模擬方法的有限元模型及試驗(yàn)結(jié)果的碰撞力－位移曲線對(duì)比如圖9所示，碰撞初始時(shí)刻仿真曲線與試驗(yàn)曲線有一定差異，但是碰撞力最大值與試驗(yàn)值基本相等，且峰值力時(shí)刻與試驗(yàn)基本一致，可見(jiàn)碰撞初始時(shí)刻碰撞力及位移主要受薄壁梁材料的影響，而與薄壁梁焊點(diǎn)模型連接無(wú)太大關(guān)系，仿真曲線與試驗(yàn)曲線呈現(xiàn)差異主要是由于試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)采集開(kāi)始時(shí)刻與碰撞開(kāi)始時(shí)刻間存在一定的誤差。在薄壁梁出現(xiàn)第一個(gè)折疊后，力—位移曲線開(kāi)始出現(xiàn)不同的差異波動(dòng)，顯示出不同的焊點(diǎn)模擬方法對(duì)薄壁梁剛度產(chǎn)生的影響不同。在碰撞結(jié)束階段，由于試驗(yàn)與仿真壓潰量的不同以及由于薄壁梁變形落錘出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)等影響，使得試驗(yàn)曲線與仿真曲線間呈現(xiàn)一定的差異。

圖9 碰撞力－位移曲線對(duì)比

四種焊點(diǎn)模擬方法的薄壁梁有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。HEX8焊點(diǎn)模型的最大碰撞力及平均碰撞力與試驗(yàn)值最為接近，且薄壁梁壓潰量也最為接近試驗(yàn)結(jié)果?？傮w而言，四種焊點(diǎn)模型的仿真結(jié)果均與試驗(yàn)值具有較好的一致性，但HEX8焊點(diǎn)模型仿真精度明顯高于另外幾種模型的精度。

表1 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

由以上對(duì)比分析可以看出，Beam焊點(diǎn)模型的最大碰撞力和平均碰撞力比試驗(yàn)值低，模型壓潰量較試驗(yàn)結(jié)果要大很多，模型剛度偏低；實(shí)體單元焊點(diǎn)模型結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果較一致，模擬精度較Beam單元高，但無(wú)論是最大碰撞力、平均碰撞力還是模型壓潰量，HEX8單元模型的結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果擬合度更高。在未控制最小時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行質(zhì)量縮放的前提下，四種不同模型的計(jì)算時(shí)間基本一致，可見(jiàn)使用實(shí)體單元集合焊點(diǎn)模型并不會(huì)大量增加有限元仿真計(jì)算工作量，故建議在整車(chē)耐撞性分析中使用HEX8單元對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬。

4 焊點(diǎn)失效模擬

4.1 失效機(jī)理

焊點(diǎn)失效的主要方式有兩種，一種為脆性失效，表現(xiàn)形式為焊點(diǎn)沿母板接觸面斷裂，另一種為塑性失效，表現(xiàn)形式為焊點(diǎn)拉出，母板撕裂。Sun等［11］通過(guò)剪切試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)焊點(diǎn)直徑小于4為母板厚度）時(shí)，趨向于發(fā)生焊核斷裂的脆性失效，而焊點(diǎn)直徑大于4時(shí)，趨向于發(fā)生母板撕裂的塑性失效。焊點(diǎn)的直徑和失效力、吸能之間存在一個(gè)近似線性的關(guān)系，在剪切試驗(yàn)中，焊核斷裂的失效力和吸能都比母板撕裂的失效力和吸能要大。在汽車(chē)工業(yè)中，焊核破壞失效的情形必須避免，因此要求焊點(diǎn)直徑D必須滿足D≥4。一般在焊接過(guò)程中，由于受高溫和夾持力的作用，焊接區(qū)域材料特性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，但焊點(diǎn)失效主要產(chǎn)生于熱影響區(qū)域材料性質(zhì)變化最薄弱的位置，本文考慮到仿真分析的效率，忽略了焊接殘余應(yīng)力影響及熱影響區(qū)的材料梯度變化，通過(guò)失效參數(shù)反映材料性質(zhì)的改變。母板撕裂失效模式的機(jī)理如圖10所示，當(dāng)焊核上作用有外部軸向拉力Fa時(shí)，此拉力將會(huì)使得繞焊核產(chǎn)生剪切應(yīng)力τ1與τ2，剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)產(chǎn)生彎矩M1、M2。由于這些彎矩的存在，使得焊核周?chē)l(fā)生塑性變形，當(dāng)焊核周?chē)饘俦“宓膽?yīng)力值超過(guò)某一極限值時(shí)，金屬薄板將會(huì)開(kāi)始發(fā)生撕裂，因此而產(chǎn)生焊點(diǎn)的母板撕裂失效。

圖10 母板撕裂失效受力分析

4.2 焊點(diǎn)失效模擬方法

LS－DYNA提供了多種焊點(diǎn)失效模擬方法，主要包括有定義失效時(shí)間TFAIL強(qiáng)制焊點(diǎn)失效、定義焊點(diǎn)單元上積分點(diǎn)處的失效應(yīng)變EFAIL控制失效、定義母板有效塑性應(yīng)變失效以及定義焊點(diǎn)處失效應(yīng)力來(lái)模擬控制失效等。本文中主要使用的失效準(zhǔn)則為另外一種，即通過(guò)＊MAT＿SPOTWELD關(guān)鍵字定義焊點(diǎn)單元所受合力失效，焊點(diǎn)所受合力失效準(zhǔn)則如下：

式中，Nrr為軸向合力；Nrs、Nrt為徑向合力；Mrr為合成轉(zhuǎn)矩；Mss、Mtt為徑向彎矩；NrrF為失效軸向合力；NrsF、NrtF為失效徑向合力；MrrF為失效合成轉(zhuǎn)矩；MssF、MttF為失效徑向彎矩。

4.3 失效參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

由焊點(diǎn)合理失效準(zhǔn)則可以看出，通過(guò)定義焊點(diǎn)力模擬焊點(diǎn)失效，需要確定對(duì)應(yīng)的焊點(diǎn)失效力及失效力矩，即式（1）中的 NrrF、NrsF、NrtF、MrrF、MssF以及MttF。進(jìn)行如圖11所示的一組簡(jiǎn)單焊點(diǎn)部件試驗(yàn)，即可得到焊點(diǎn)失效相關(guān)參數(shù)。通過(guò)拉伸與剪切試驗(yàn)可以直接測(cè)得拉伸失效力NrrF和剪切失效力NrsF，NrsF＝NrtF，彎曲失效力與扭轉(zhuǎn)失效力可以通過(guò)下式確定：

式中，NbF與NtF分別為彎曲試驗(yàn)與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)失效力；lb、lt分別為彎曲與扭轉(zhuǎn)樣件焊核到加載方向的距離，由樣件尺寸決定。

圖11 焊點(diǎn)失效參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

通過(guò)部件試驗(yàn)所得到的焊點(diǎn)失效參數(shù)，可應(yīng)用于仿真計(jì)算中，以準(zhǔn)確模擬焊點(diǎn)失效，提高有限元模型精度。通過(guò)對(duì)不同材料進(jìn)行焊點(diǎn)部件試驗(yàn)，積累各種材料的焊點(diǎn)失效參數(shù)，在有限元分析中進(jìn)行廣泛應(yīng)用，模擬乃至預(yù)測(cè)焊點(diǎn)失效的發(fā)生，可以大大提高模型分析精度。

5 整車(chē)應(yīng)用實(shí)例

某型國(guó)產(chǎn)微型客車(chē)，在進(jìn)行國(guó)家正面碰撞法規(guī)試驗(yàn)時(shí)，左右前大梁與輪罩及前地板焊接位置均發(fā)生了焊點(diǎn)失效。由于此位置焊點(diǎn)失效的發(fā)生使得車(chē)身變形過(guò)大，試驗(yàn)后右側(cè)前車(chē)門(mén)無(wú)法正常開(kāi)啟，制動(dòng)踏板與前地板侵入量過(guò)大，且車(chē)身B柱加速度曲線初始峰值偏低，車(chē)身吸能不夠，40ms左右加速度峰值偏高，從而使得駕駛員側(cè)頭部傷害值超過(guò)1000，未能滿足法規(guī)要求。

在整車(chē)碰撞仿真中使用Beam單元一直未能模擬出合適的焊點(diǎn)失效。通過(guò)對(duì)失效區(qū)域的材料進(jìn)行焊點(diǎn)試驗(yàn)，測(cè)得其拉伸失效力為4.22k N，剪切失效力為5.7k N，彎曲失效力矩為14.63 N·m，扭轉(zhuǎn)失效力矩為127.5 N·m，將 HEX8實(shí)體焊點(diǎn)模型應(yīng)用在整車(chē)模型中，對(duì)整車(chē)變形及車(chē)身加速度曲線進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果表明，各峰值出現(xiàn)時(shí)刻及峰值大小均與試驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好，車(chē)身最大加速度及有效加速度誤差均控制在10%左右。因車(chē)身材料波動(dòng)對(duì)整車(chē)壓潰量影響較大，故試驗(yàn)車(chē)身動(dòng)態(tài)壓潰量大于仿真結(jié)果約50mm，加速度持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng)，如圖12與圖13所示。

圖12 車(chē)身加速度曲線對(duì)比

圖13 試驗(yàn)與仿真變形對(duì)比

由于焊接工藝誤差會(huì)引起焊核直徑的變化，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)承載能力存在波動(dòng)，使得允許部分焊點(diǎn)發(fā)生失效來(lái)控制車(chē)身變形及改進(jìn)車(chē)輛碰撞性能的目的基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，在對(duì)該微型車(chē)車(chē)身方案進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化時(shí)，必須考慮焊點(diǎn)可能發(fā)生的失效對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，避免碰撞試驗(yàn)中的焊點(diǎn)失效。檢查模型中發(fā)生失效的焊點(diǎn)及臨近失效狀態(tài)的焊點(diǎn)，通過(guò)增加高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域焊點(diǎn)數(shù)量來(lái)減小平均焊點(diǎn)力，可避免失效的發(fā)生。在進(jìn)行第二次國(guó)家正面碰撞法規(guī)試驗(yàn)中，該微型客車(chē)車(chē)身變形正常，未發(fā)生焊點(diǎn)失效，駕駛員側(cè)與乘員側(cè)假人傷害值分別為879和826，滿足法規(guī)要求。

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Spot Weld Simulation Using Solid Element Assemblies Based on Crashworthiness of Automotives

Xie Bin Cheng Aiguo Chen Tao Dong Liqiang
State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，410082

Several commonly used methods of spot weld simulation were summarized and a new solid spot weld elements model was proposed，according to the efficiency and simulation accuracy of the spot weld elements in vehicle crash model.Spot weld elements using solid element assemblies and beam elements were built in detail and their accuracy was systematically compared，based on the crash tests of thin－walled rail.And the most accurate results were gained by using HEX8 elements.The whole car simulation analysis of crashworthiness using spot weld failure parameters obtained by specimen test and the new HEX 8 elements model gave more accurate results.The vehicle tests demonstrated that this solid elements assemblies spot weld model has higher precision and stronger project practicability.

spot weld；solid element assembly；crashworthiness；specimen test；failure

U461

1004—132X（2011）10—1226—06

2010—07—09

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（531105050037）；湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題資助項(xiàng)目（60870002）；上海市數(shù)字化汽車(chē)車(chē)身工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金資助項(xiàng)目（2010－02）

（編輯 王艷麗）

謝 斌，男，1985年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。主要研究方向?yàn)槠?chē)碰撞安全及優(yōu)化方法。成艾國(guó)，男，1972年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、博士、教授。陳 濤，男，1978年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員。董立強(qiáng)，男，1982年生。湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。