王 贏 常光寶 倪小波

（1.柳州益菱汽車投資發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545000；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

進入21世紀以來，全球汽車制造業(yè)競爭日益激烈。汽車安全性作為汽車的主要基本性能之一，越來越受到各制造商的重視。在汽車被動安全性能的研究中，采用計算機進行仿真分析是一個重要環(huán)節(jié)，計算機仿真技術的快速發(fā)展，大大縮短了汽車的開發(fā)周期。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量持續(xù)增加，汽車已成為人們生活中的一部分。然而據(jù)交通部統(tǒng)計，我國每年發(fā)生的交通事故幾十萬起，造成上萬人傷亡，經(jīng)濟損失嚴重[1]。對汽車的碰撞安全性能進行研究非常重要。

汽車的車身結構主要是由不同的金屬構件及覆蓋件通過焊接、螺栓連接、鉚接和粘膠而成，其中最主要的連接方式就是焊接。點焊連接具有質量輕、可靠性好、性能穩(wěn)定和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計，每輛轎車車身上，通常會有幾千個焊點。焊接質量對整車碰撞尤為重要，如若焊點模擬不準確，會降低碰撞模擬精度，甚至引起整個模擬結果失敗[2]。因此，如何在仿真中準確模擬焊接單元，保證碰撞分析結果的正確性，是本文的重點研究。

目前，國內外關于焊點模擬已做了大量研究。其中法國的研究人員采用有限元法模擬了單一焊點的剪切搭接試驗、正拉伸試驗，并探索了失效條件[3]；日本本田研發(fā)中心的Skye Malcolm 通過有限元法對整車碰撞過程中焊點的失效進行了準確模擬[4]；我國的各汽車研發(fā)中心和高效也展開了大量研究，如同濟大學的高衛(wèi)民對碰撞模擬過程中焊點的影響進行了研究，提出了碰撞模擬中常用的焊點模擬方法[5]；吉林大學的宋海生等對整車模態(tài)分析中焊點模擬方法進行了研究，得出整車模態(tài)分析中采樣彈塑性梁單元模擬焊點更準確[6]。

1 焊點模擬方法

一般情況下，在碰撞模擬分析中，采用的焊點模擬方法有無質量剛性梁焊點、可變形梁單元焊點、體單元焊點。

無質量剛性梁焊點模擬方法就是在焊點位置上用無質量剛性梁來連接殼單元相應節(jié)點，通過耦合焊點位置相應節(jié)點的自由度來模擬焊點的力學行為，這是一種最為簡單的焊點模擬方法。這種模擬方式的主要優(yōu)點是對時間步長沒影響，但是其要求單元的網(wǎng)格最好垂直對齊，并且忽略了焊點的變形，目前采用較少。其模擬方式如圖1 所示。

圖1 剛性梁焊點模型

可變形梁單元焊點使用Beam單元連接兩層殼單元，如圖2 所示，力通過梁單元來進行傳遞。通過定義Beam 單元的材料屬性，來模擬焊點的應力應變特性。通過定義接觸來連接殼單元與Beam 單元，使得這種焊點模型對網(wǎng)格節(jié)點不依賴，可以在單元表面創(chuàng)建，建模過程比較簡單，且力不是通過單元節(jié)點傳遞，而是通過單元面?zhèn)鬟f，這種傳遞方式比較真實的模擬了焊點的受力情況。主要缺點就是不能傳遞平面內扭矩，并且對時間步長有影響。

圖2 Beam 梁單元焊點模型

體單元焊點通過使用實體單元對焊點進行模擬，體單元和焊接位置殼單元使用公用節(jié)點進行連接，此方法從三維角度盡可能準確地模擬了焊點，如圖3 所示。實體焊點的模擬有兩種常用方法，第一就是直接創(chuàng)建hexa 類型的實體焊點；第二種就是在生成的Beam 梁單元焊點的基礎上，通過卡片設置輸出實體焊點，使用一組實體單元的集合來對單個焊點進行有限元模擬。實體單元可以采用不同的HEX 來對焊點進行模擬，HEX1 表示使用單個實體單元來對焊點進行模擬，而HEX4 則使用4個實體單元所組成的集合來對焊點進行模擬，HEX8為使用8個實體單元集合對單個焊點進行模擬。焊點相關計算結果數(shù)據(jù)的輸出并不是基于單個實體單元，而是模擬一個焊點的所有實體單元的集合。體單元模擬精度高，可以克服梁單元不能傳遞平面扭矩情況，但是其建模難度較大，對時間步長影響較大。

圖3 傳統(tǒng)體單元焊點模型

在一個整車有限元模型中，焊點需要通過接觸來定義，而不是殼單元節(jié)點之間的連接。采用接觸定義來連接，能降低對網(wǎng)格劃分的要求，減少前處理時間，同時這種模擬方式也比較接近實際情況。不同焊點類型所定義的接觸不一樣，其中無質量剛性梁焊點通過關鍵字*CONSTRAINED SPOTWELD 或者*CONSTRAINED NODAL RIGID BODY 來定義；可變性梁單元焊點通過關鍵字*CONTACT SPOTWELD來定義接觸，體單元焊點通過*CONTACTTIED SHELL EDEG TO SURFACE 來定義接觸。

2 臺車碰撞模擬和試驗驗證分析

本次研究選用臺車上焊接部分前大梁組件進行正碰試驗，根據(jù)臺車的實際狀況，先把前大梁組件焊接在一塊1500*150、厚度為4mm 的鋼板上，然后再整體焊接在臺車上。大梁組件的焊接要求即焊點間距約為40mm，且無虛焊、漏焊。碰撞小車總質量1168kg；碰撞小車的速度為13.8m/s。首先采用hypermesh 軟件對整車建模，利用ls-dyna 軟件進行計算，然后用hyperview 軟件進行結果后處理分析。如下圖4 所示。

圖4 臺車有限元模型

分別采用不同的焊點模擬方法進行仿真分析，仿真分析中為保證模型的精度，整車質量增加一般控制在5%之內。下圖5 所示為不同焊點模擬方式下仿真模型計算過程中產(chǎn)生的質量增加，使用梁單元焊點時模型質量增加最少，手動建立實體焊點的模型次之，卡片控制輸出焊點實體集的情況下，采用hex1 和hex4 類型質量增加的基本一致，采用hex8 類型則質量增加明顯多于其他幾個模型。

圖5 不同焊點模擬方式下的質量增加

圖6 所示為大梁仿真變形與試驗變形的對比圖。從圖中可看出，采用BEAM、SOLID、HEX1 這三中類型的大梁變形模式與試驗更接近，而采用HEX4、HEX8 這兩種模擬類型的大梁變形模式與試驗有較大的差別。

圖7 是試驗與仿真的整車加速度曲線對比。采用手動建立實體焊點的模型加速度曲線第一個峰值大小和試驗基本一致，第一個峰值出現(xiàn)的時間向后推遲5ms；采用卡片控制輸出實體焊點的三種模型的第一個峰值基本一致，比試驗的第一個峰值要小3g 左右；采用beam 梁單元焊點的第一個峰值最低，比試驗的小5.5g 左右；整個碰撞時間，手動建立實體焊點的模型也和試驗的較接近，其它幾個模型碰撞時間明顯比試驗的要長。

圖6 實驗與仿真大梁變形對比

圖7 試驗與仿真的加速度曲線對比

對焊點單元采用不同的模擬方法，得到的碰撞模型結果差別較大，通過臺車模型試驗結果與仿真結果的對比可以看出，以上幾種焊點模擬方法中，手動建立實體焊點的大梁壓潰變形模式以及加速度曲線峰值和碰撞時間都和試驗較接近，更能準確的模擬焊點。

3 結論

本文以50km/h 臺車碰撞試驗為基礎，研究了碰撞仿真分析中焊點單元的準確模擬方法。建立5 中不同類型的焊點模型，通過臺車模型試驗結果與仿真結果的對比可以看出，對焊點單元采用不同的模擬方法，得到的碰撞模型結果差別較大，幾種焊點模擬方法中，手動建立實體焊點的大梁壓潰變形模式以及加速度曲線峰值和碰撞時間都和試驗較接近，更能準確的模擬焊點。

［1］中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計資料匯編(2007)[Z].北京：公安部交通管理局，2007.

［2］何文，張維剛，鐘志華.汽車碰撞仿真研究中電焊連接關系的有限元模擬[J].機械工程學報，2005，41（9）：75-77

［3］高衛(wèi)民，王宏雁，徐敦舸.碰撞模擬過程中焊點的影響[J].同濟大學學報，2001，29（7）：870-873.

［4］宋海生，史文庫，等.整車模態(tài)分析中焊點模擬方法的研究[J].汽車工程2011，11(33)：920-923.