季鈺榮，孫曉嶼

(上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

前言

自汽車裝配線誕生之日起，電阻點焊就是制造流水線上不可或缺的重要部分[1]。電阻點焊由于具有質(zhì)量輕、靜強度高、可靠性好、性能穩(wěn)定和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，承擔了75%以上的車身裝配工作[2]。汽車的白車身結(jié)構(gòu)幾乎都由金屬薄壁件通過電阻點焊連接而成，因此焊點的結(jié)合強度十分值得關(guān)注。尤其是在碰撞過程中，當整車結(jié)構(gòu)受到外界強大載荷沖擊時，部件搭接處的焊點失效會直接影響整車結(jié)構(gòu)的完整性，從而破壞部件的吸能特性甚至碰撞能量的傳遞路徑[3-4]，最終導致乘員受到傷害。為避免此類情況發(fā)生，提高整車耐撞性，則應在整車碰撞安全開發(fā)過程中，將碰撞引起的焊點失效考慮在內(nèi)。

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車碰撞安全研究越來越多地采取CAE仿真手段進行結(jié)構(gòu)分析和設計優(yōu)化。相比傳統(tǒng)的碰撞試驗，仿真能有效節(jié)省開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。因此，如何在CAE仿真階段預測焊點失效情況，提高整車耐撞性就成了研究的重點。

目前，國內(nèi)研究人員對于不同類型焊點單元對仿真精度的影響做了大量的研究，然而，針對焊點失效判據(jù)的建立和獲取的研究較少，因此，焊點的失效模擬一直是一項極具挑戰(zhàn)的研究。國外對碰撞中焊點失效模擬的研究，尚未有明確的流程與方法，因此在整車模擬過程對焊點進行失效預測和優(yōu)化布置具有一定難度。本文中將圍繞仿真中的焊點失效預測進行研究，將焊點失效應用于整車碰撞，從而為本土汽車企業(yè)的車輛安全開發(fā)提供參考。

1 焊點失效參數(shù)的獲取

在碰撞模擬分析軟件中，LS-DYNA軟件對焊點建模和焊點失效模擬方面具有十分強大的功能，可反映出焊點在真實碰撞中的受力情況。本文中將根據(jù)已有的失效準則，分析準則中各參數(shù)的意義，通過試驗手段，計算焊點失效參數(shù)，并獲得有效適用的焊點失效準則。

1.1 焊點失效準則

焊點作為連接鈑金件的重要組成，碰撞中隨著鈑金件的變形，焊點受到的并不是單一載荷的作用，而是一種復合載荷，包括拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩，如圖1所示。這些載荷的綜合作用會導致焊點連接功能或承載功能的失效。

根據(jù)焊點的實際受力情況，將復合載荷的作用分解為多個單向載荷的組合作用，構(gòu)建基于力的焊點失效準則：

式中：NRRF為焊點能承受的R向最大軸向拉力；NRSF為焊點能承受的S向最大剪切力；NRTF為焊點能承受的T向最大剪切力；MRRF為焊點能承受的最大扭矩；MSSF為焊點能承受的S向最大彎矩；MTTF為焊點能承受的T向最大彎矩；NRR，NRS，NRT，MRR，MSS和MTT均為仿真軟件通過可靠的點焊模型計算而來的實際焊點受力；FC為焊點失效判據(jù)值，當FC≥1時，焊點會被判定為失效，并直接刪除。

1.2 焊點力學性能試驗

根據(jù)對失效準則中參數(shù)的分析，基于力的焊點失效判據(jù)將單個焊點的復合受力模式分解為拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩。不同的載荷類型選用對應試驗方式，通過十字拉伸試驗獲得焊點的軸向最大失效力，一字剪切試驗獲得焊點的切向最大失效力，折邊剝離試驗獲得最大剝離彎矩，扭轉(zhuǎn)試驗獲得最大平面扭矩，各試驗方式如圖2所示。本文中選取1.6mm厚的U1500熱成型鋼板與1.0mm厚的B250P1的搭接組合作為失效判據(jù)有效性的研究對象，根據(jù)不同的工況對該搭接組合進行力學性能試驗，所獲得的焊點失效參數(shù)如表1所示。

圖2 焊點力學性能試驗

表1 1.6mm_U1500與1.0mm_B250P1組合的焊點失效參數(shù)

2 焊點仿真模型的建立

2.1 焊點單元的模擬方法

對汽車碰撞仿真而言，點焊連接的有限元模擬經(jīng)歷了公用節(jié)點、無質(zhì)量剛性桿、彈簧單元、可變形梁單元和實體單元的演變過程。隨著焊點單元類型的改變，汽車碰撞仿真的焊點模擬精度不斷提高[5]。對于焊點仿真模型，不僅要體現(xiàn)焊點的真實受力和失效情況，還要具有建模方便、計算效率高等優(yōu)點。

傳統(tǒng)的無質(zhì)量剛性梁通過耦合相應節(jié)點的自由度來模擬焊點，要求焊點處的節(jié)點相連接，所以剛性梁無法模擬焊點所受的彎矩，且在建模時，要求相對應的薄板網(wǎng)格在焊點處的節(jié)點必須對齊，使剛性梁能夠垂直于所連接的面，若存在一定夾角，則會對焊點受力的計算有影響[6-8]，即無法反映焊點的真實受力情況。因此，本文中不考慮該種建模方法。

現(xiàn)在較為常用的是Beam梁單元和實體單元[9]。研究指出，與 Beam梁單元(如圖3(a))相比，實體單元能更準確地反映焊點傳遞載荷的作用，模擬結(jié)果更接近實際試驗結(jié)果[10-11]。

實體單元采用多個實體單元的集合來模擬一個焊點單元，根據(jù)單元數(shù)的不同，分為如圖3(b)～圖3(f)所示的5種，焊點通過多個單元上的接觸與板材連接，這種穩(wěn)固的連接方法能捕捉焊點位置的變形情況和所受載荷，準確體現(xiàn)焊點與板材在變形過程中的實際情況[12]。對比發(fā)現(xiàn)1HEX和4HEX的焊點單元過于粗糙，精度不如8HEX，但8個以上單元的實體集合會急劇增加計算時間，精度卻與8HEX相近[13]。因此，選擇8HEX單元對焊點失效進行模擬，并與試驗作對比分析。

2.2 多焊點子系統(tǒng)部件驗證

為驗證焊點失效判據(jù)的有效性，本文中設計了一種復合作用下多焊點失效特性測試裝置，焊點承受類似整車焊點的復合載荷，并將U1500與B250P1組合的焊點失效參數(shù)添加到失效判據(jù)中，如圖4所示。該裝置左右各布置5個焊點，部件中間受到一個向下的載荷，直至焊點產(chǎn)生失效行為。該部件左側(cè)的1-5號焊點主要承受剪切力；右側(cè)的6-10號焊點主要受拉伸力和剝離彎矩。焊點均由8HEX單元模擬，焊點材料采用?MAT_SPOTWELD_DAMAGE_FAILURE，添加焊點失效參數(shù)，完善失效判據(jù)。焊點與板材間的接觸設置為?CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE。

圖4 多焊點子系統(tǒng)部件

仿真與試驗中的焊點失效情況對比如圖5所示，發(fā)現(xiàn)焊點失效均發(fā)生在右側(cè)垂直布置的焊點處，同時由于中間布置的U1500熱成型板材強度較高，右側(cè)與其搭接的板材受到焊點拉力，向外突出變形，左側(cè)水平布置的焊點雖未被拉脫，但試驗與仿真中U1500板材都發(fā)生了翹曲變形。

圖6為部件壓潰力仿真與試驗對比。由圖可見，仿真中焊點失效時的壓潰距離與載荷均與試驗非常相近。差別為26mm處壓潰量在仿真中出現(xiàn)了一個載荷尖峰，而28mm后壓潰力急劇減小，相比之下試驗中的壓潰力的下降是一個較為平緩的過程，這是由于試驗中焊點發(fā)生了紐扣剝離失效，熱影響區(qū)的組織在外力作用下產(chǎn)生了塑性變形，而緩慢下降的過程正是熱影響區(qū)變形的過程。但在仿真中焊點單元通過節(jié)點接觸與板材連接，力不斷地積聚在節(jié)點上，產(chǎn)生峰值，當失效判據(jù)值達到1時，焊點立即被刪除，因此壓潰力急劇下降。

圖5 多焊點子系統(tǒng)部件仿真與試驗對比

圖6 部件壓潰力的仿真與試驗對比

多焊點部件的仿真結(jié)果中焊點的失效位置、失效數(shù)量、最大壓潰力和壓潰距離均與試驗結(jié)果相近，表明該基于力的焊點失效判據(jù)能有效預測焊點的失效現(xiàn)象。

3 整車碰撞仿真與試驗驗證

在車輛安全設計中，整車級別的焊點失效預測是最直接、最有效的車身焊點設計可行性預測方法。本文中選取在40%重疊正面偏置碰撞的整車模型上來驗證焊點失效判據(jù)應用的準確性。因為該工況下整車以高達64km/h的速度與可變形壁障發(fā)生偏置碰撞。如圖7所示，碰撞過程中車輛通過第1級變形區(qū)與第2級相容區(qū)的結(jié)構(gòu)發(fā)生有效變形進行吸能，再通過第3級乘員保護區(qū)結(jié)構(gòu)的有效支撐來減少前艙結(jié)構(gòu)的侵入量，降低前圍侵入對乘員的傷害風險，提高整車安全性；但若乘員保護區(qū)內(nèi)的焊點發(fā)生大量失效，導致結(jié)構(gòu)異常變形將增加乘員傷害風險。因此設計初期準確預測關(guān)鍵區(qū)域的焊點失效情況將有助于提高車輛的安全性。

圖7 40%重疊正面偏置碰撞傳力路徑

但整車白車身上焊點數(shù)量高達4 000～6 000個，焊點搭接組合也多達幾十種，若對每個焊點均添加失效判據(jù)，不僅會增加建模時間，浪費計算資源，并且非關(guān)鍵傳力路徑上的焊點不具有失效風險，添加焊點失效反而顯得復雜冗余。本文中選取前撞傳力路徑上的關(guān)鍵區(qū)域(如A柱、前圍板、斜撐板等)在整車CAE中進行焊點失效預測，并與實車碰撞結(jié)果進行對比驗證。

3.1 焊點失效情況

在傳力路徑上，斜撐板是增強前圍板結(jié)構(gòu)剛度、減少前圍侵入的重要零件。若連接兩者的焊點發(fā)生失效，則會降低三角斜撐區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，引起前圍結(jié)構(gòu)侵入量的增加，導致乘員受傷害風險增加。仿真與試驗對比如圖8所示。由圖可見，添加焊點失效的仿真模型準確預測出斜撐板與前圍板搭接處的焊點失效情況，失效均發(fā)生在斜撐板與前圍連接的右側(cè)，該處的焊點失效風險得到了準確預測。

在控制整個前艙侵入量時，前圍板與A柱搭接處的焊點失效同樣需要關(guān)注。若該搭接處的焊點產(chǎn)生失效，則會嚴重影響前艙的完整性，導致傳力路徑無法按設計預期傳遞載荷。在碰撞過程中，未吸收完全的碰撞能量被傳遞到前圍板，前圍板的加速度將大大地超過了A柱，引起此處的焊點連接失效，仿真與試驗結(jié)果對比如圖9和圖10所示。由圖可見，不論是前圍板的變形情況，還是焊點失效的數(shù)量，仿真均有效預測出該處的焊點失效風險。

圖8 斜撐板與前圍板搭接處焊點失效情況

圖9 前圍板上端與A柱搭接處焊點失效情況

圖10 前圍板下端與A柱搭接處焊點失效情況

3.2 縱梁變形模式

在40%重疊正面偏置碰撞中，工程師會根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)設計合理的縱梁變形模式，起到合理傳遞、分配和吸收能量的作用。因此在整車物理試驗中，與設計預期相符的縱梁變形模式能極大地提高整車的安全性能。

圖11為整車CAE與試驗縱梁的變形模式對比。其中圖11(b)為設計預期變形模式，此時默認無焊點失效。但由于試驗中前艙關(guān)鍵區(qū)域出現(xiàn)了大量焊點失效情況，縱梁變形模式與預期不符。而圖11(c)添加焊點失效準則的CAE模型預測出的縱梁變形模式與試驗結(jié)果相一致。

圖11 縱梁的變形模式

綜上所述，基于本文中選用的整車工況，考慮焊點失效的CAE模型準確預測出縱梁變形模式、焊點失效位置和數(shù)量，與試驗結(jié)果對比顯示焊點失效的仿真精度達87%，后期基于此預測結(jié)果進行焊點的優(yōu)化設計將能減少焊點失效風險，提高整車安全性能。因此該焊點失效預測方法能有效預測整車設計中的焊點開裂風險，為整車安全設計提供分析手段。

4 結(jié)論

在模擬整車碰撞過程中，焊點失效研究是被動安全設計的重要環(huán)節(jié)，針對仿真中的焊點失效模擬進行研究，得出了以下結(jié)論。

(1)為模擬焊點在仿真模型中的失效情況，對焊點失效準則進行分析，定義對應參數(shù)的獲取方法，并得到可用于仿真的焊點失效判據(jù)。

(2)設計一個多焊點子系統(tǒng)部件，對所獲得的焊點失效判據(jù)進行驗證。采用8HEX單元模擬焊點，添加焊點失效判據(jù)的子系統(tǒng)壓潰仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合，表明該種焊點失效判據(jù)合理有效。

(3)基于正面偏置碰撞工況CAE模型，對傳力關(guān)鍵區(qū)域添加焊點失效判據(jù)，并與整車碰撞試驗進行對比。不論是整車的縱梁變形模式，還是焊點的失效情況均與試驗相近，焊點失效風險得到準確預測，為提高整車安全性能開發(fā)提供分析手段。