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汽車點(diǎn)焊模型有限元分析的發(fā)展及其應(yīng)用

在汽車工業(yè)中，點(diǎn)焊是車身金屬薄板結(jié)構(gòu)主要的連接方式，分布于車身各個(gè)部位。點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和耐腐蝕等特性。由于車身結(jié)構(gòu)中點(diǎn)焊數(shù)多達(dá)上千個(gè)，因此點(diǎn)焊對(duì)車身整體結(jié)構(gòu)剛度的影響很大，建立準(zhǔn)確的點(diǎn)焊有限元模型對(duì)于充分模擬車身結(jié)構(gòu)剛度至關(guān)重要。對(duì)此，介紹了在有限元分析中點(diǎn)焊模型的發(fā)展和點(diǎn)焊失效形式。

點(diǎn)焊區(qū)域由于存在幾何不連續(xù)、殘余應(yīng)力、材料特性不一致和焊接過(guò)程產(chǎn)生的缺陷等因素，因此在有限元中對(duì)其建模非常困難。目前，有兩種點(diǎn)焊模型建立方法：一種是基于應(yīng)力的方法；另一種基于應(yīng)變的方法。前者采用獨(dú)立梁或獨(dú)立六面體實(shí)體單元模擬點(diǎn)焊，通過(guò)力和力矩準(zhǔn)則建立點(diǎn)焊區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)；后者采用與鄰近殼單元相連的六面體實(shí)體單元模擬，主要用來(lái)了解真實(shí)點(diǎn)焊剛度特性以及點(diǎn)焊對(duì)車身其余部分剛度的影響?；趹?yīng)變方法建模的優(yōu)點(diǎn)是，所建立的點(diǎn)焊模型不僅適用于基材的破壞分析，而且適用于對(duì)點(diǎn)焊熱影響區(qū)的分析；而基于應(yīng)力建模的方法無(wú)法對(duì)熱影響區(qū)的焊接縮孔進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)采用點(diǎn)焊連接的車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析或模擬時(shí)，需要先確定點(diǎn)焊破壞形式。點(diǎn)焊破壞形式一般包括基于塑性應(yīng)變的塑性失效和基于焊接單元力的脆性失效。焊點(diǎn)本身的失效多為脆性失效，即焊點(diǎn)斷開，因而對(duì)汽車點(diǎn)焊的有限元分析采用脆性失效準(zhǔn)則。

采用有限元軟件LS-DYNA3D，按照基于應(yīng)變的點(diǎn)焊模型和脆性失效準(zhǔn)則對(duì)車身焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，有限元分析結(jié)果與真實(shí)結(jié)果接近，但還存在一定的差異。這種差異的產(chǎn)生一方面與有限元分析時(shí)所劃分網(wǎng)格的尺寸和類型有關(guān)，另一方面與車身的載荷加載情況有關(guān)。對(duì)于前一種原因，在權(quán)衡模擬時(shí)間后，盡可能縮小網(wǎng)格尺寸，得到更精確的結(jié)果；對(duì)于后一種原因，將通過(guò)引入正則化因子，消除這種原因產(chǎn)生的差異。

Hwawon Lee et al. SAE 2015-01-1316.

編譯：李臣