基于汽車碰撞仿真的實體單元焊點模擬方法研究

謝 斌 成艾國 陳 濤 董立強

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

基于汽車碰撞仿真的實體單元焊點模擬方法研究

謝 斌 成艾國 陳 濤 董立強

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

總結了幾種當前常用的焊點模擬方法，針對汽車碰撞有限元模擬中所使用的點焊連接模型存在的建模效率及模擬精度等方面的問題，提出使用實體單元集合對焊點進行模擬，并通過薄壁梁碰撞試驗，建立了實體單元集合及Beam單元有限元模型，并系統對比分析了其模擬精度，結果認為使用HEX8實體焊點模擬方法對焊點的模擬是最為準確的。通過部件試驗確定了焊點失效參數，將實體焊點HEX8模擬方法應用于整車耐撞性仿真分析中，得到了較為精確的仿真結果。實車試驗證明，該新型焊點模型具有較高的精度及較強的工程實用性。

焊點；實體單元；碰撞；部件試驗；失效

0 引言

電阻點焊作為一種質量輕、靜強度高、可靠性好、性能穩定且易于實現自動化的連接方式，在汽車工業中得到了廣泛應用?，F在每輛轎車車身上，一般有4000～6000個焊點。使用有限元方法進行車身結構分析及設計時，焊點有限元模型應具有高的模擬精度和較短的建模時間，它是保證車身計算結果正確并具有較高精度的關鍵。尋求一種真實可靠的焊點模擬方法一直是國內外學者研究的熱點。高衛民等［1］采用無質量剛性梁焊點模型進行了整車耐撞性能分析，得到了較好的結果。施欲亮等［2］認為在汽車碰撞有限元仿真中，用Beam梁模型來模擬點焊連接關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模型。Xiang等［4］分析了16種不同焊點單元模擬方法，并認為焊點的布置對耐撞性能有非常明顯的影響。項玉江等［5］通過一系列分析及試驗對比，認為在焊點建模過程中，無論用何種模型都應對焊點直徑的影響予以考慮，否則將使模擬結果和試驗結果產生較大誤差。呂濤等［6］研究發現，焊接殘余應力會影響材料的屈服極限，從而影響部件的疲勞強度。

本文首先比較了目前碰撞仿真中使用頻率最高的無質量剛性梁、Beam單元等幾種焊點模擬方法，然后通過分析焊點的真實受力，描述了使用實體單元集合模擬焊點的方法。進行薄壁梁落錘試驗，對比Beam單元與實體單元集合焊點模型，找出了模擬精度較高的有限元焊點模型。通過進行部件試驗計算確定了焊點失效參數，并將其應用在整車耐撞性分析中。整車碰撞試驗結果證明新的焊點模型具有非常高的精度。

1 常用焊點模擬方法

1.1 無質量剛性梁焊點模型

在碰撞有限元仿真分析中，對汽車鈑金件一般使用位于板厚中間位置的殼單元（中位面）來進行模擬。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點，通過耦合焊點位置相應節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。此模擬方法要求在建模時，焊點處網格節點必須對齊，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，但是它對結構件網格建模要求很高，特別是對于復雜的汽車車身結構件，有限元建模工作會非常困難，且此模型模擬精度偏低，無法對焊點的失效現象進行模擬。

圖1 剛性梁焊點模型

1.2 Beam單元焊點模型

Beam單元焊點模型使用Beam單元連接兩層殼單元，力通過梁單元來進行傳遞。該模型通過定義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，使得這種焊點模型不依賴網格節點，可以在單元表面創建，建模過程比較簡單，且力不通過單元節點傳遞，而通過單元面傳遞，這種傳遞方式可以比較真實地模擬焊點的受力情況，如圖2所示。目前在工程中應用最多的焊點模擬方式即為這種。使用此模型可以模擬焊點的失效行為，但是此種模型對焊點失效模擬的準確性受網格劃分的影響很大，因此很難準確地模擬失效。

圖2 Beam單元焊點模型

1.3 體單元焊點模型

體單元焊點模型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。力和力矩都通過體單元來傳遞，通常具有較高的模擬精度，但其建模過程非常復雜，網格獨立性無法得到保證，必須網格一一對應時才能進行實體單元建模。對于復雜的汽車車身結構，這種體單元焊點連接方式對有限元網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現。

圖3 傳統體單元焊點模型

由于目前常用焊點模擬方法存在的種種不足，使得其很難在大型有限元計算模型中進行大規模應用，故我們需要尋求一種更為精確的焊點模擬方法，不僅要求建模過程簡單，還要能夠準確地模擬焊點受力，從而準確地模擬乃至預測焊點失效的發生。

2 實體單元集合焊點模擬方法

2.1 焊點受力分析

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

圖4 焊點受力示意圖

由圖4可以看出，真實情況下，單個焊點承受的有三個方向的力以及三個方向的轉矩共6個載荷，傳統Beam單元與每層殼單元只有一個節點通過接觸進行連接，只能傳遞力而不能傳遞轉矩，故無法有效地對焊點的真實受力進行準確模擬。而使用實體單元對焊點進行模擬時則不同，因為焊點是通過多個節點與殼單元相連，不僅能對焊點的受力進行傳遞，而且能夠準確地模擬出焊點所受到的各方向的轉矩。目前，國外已有相關科研人員對實體焊點模擬方法進行相關的研究工作。Malcolm等［7］通過對比不同實體焊點模擬方法，確定了一種較為精確的模擬方法并在部件試驗中進行了驗證。Wu［8］發現使用實體單元焊點及全積分殼單元模型是最為準確的模擬方式。但實體焊點模擬方法在整車碰撞仿真中的應用基本處于空白。

2.2 實體單元集合模擬方法

在傳統的焊點模擬方法中，焊點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，用戶可以通過定義＊CONTROL＿SPOTWELD＿BEAM以及＊DEFINE＿HEX＿SPOTWELD＿ASSEMBLY兩個關鍵字使用一組實體單元的集合來對單個焊點進行有限元模擬［9］。

在圖5中，HEX1表示使用單個實體單元來對焊點進行模擬，而HEX4則表示使用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。實體單元集合焊點模擬方法得到的焊點相關計算結果數據的輸出并不基于單個實體單元，而基于模擬一個焊點的所有實體單元的集合。使用實體單元集合對焊點進行模擬，焊點上多個節點通過固連接觸與殼單元連接，這種連接方法更加穩固，且能夠準確地捕捉焊點位置的變形及所承受的載荷，這便使得實體單元集合焊點模擬方法能夠準確模擬甚至預測焊點失效的發生，為整車開發提供更加準確的指導。

圖5 實體單元集合焊點模擬

3 薄壁梁碰撞模擬及試驗驗證

為對比驗證各種焊點模擬方法的準確性，將各種實體單元集合及最常用的Beam單元應用到薄壁梁碰撞試驗仿真中進行對比分析，然后將仿真結果與薄壁梁落錘碰撞試驗進行比較。

3.1 薄壁梁落錘碰撞試驗

使用薄壁梁落錘碰撞試驗來對比驗證不同焊點模型精度，試驗數據來源于文獻［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h＝300mm，焊點間距s＝39mm，焊點直徑d＝5.4mm。薄壁梁所用材料為DP600，其彈性模量為207GPa，屈服強度為300MPa，抗拉強度為620MPa，延伸率為25%，拉伸應變硬化指數n為0.15。材料應力應變曲線如圖7所示。

試驗過程中，將薄壁梁底端固定在試驗臺上，防止其側向滑動。落錘質量為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人工測量計算得到的。

圖6 薄壁梁截面形狀

圖7 DP600材料曲線

3.2 仿真與試驗結果對比

圖8 仿真與試驗變形結果對比

四種焊點模擬方法的有限元模型及試驗結果的碰撞力－位移曲線對比如圖9所示，碰撞初始時刻仿真曲線與試驗曲線有一定差異，但是碰撞力最大值與試驗值基本相等，且峰值力時刻與試驗基本一致，可見碰撞初始時刻碰撞力及位移主要受薄壁梁材料的影響，而與薄壁梁焊點模型連接無太大關系，仿真曲線與試驗曲線呈現差異主要是由于試驗時數據采集開始時刻與碰撞開始時刻間存在一定的誤差。在薄壁梁出現第一個折疊后，力—位移曲線開始出現不同的差異波動，顯示出不同的焊點模擬方法對薄壁梁剛度產生的影響不同。在碰撞結束階段，由于試驗與仿真壓潰量的不同以及由于薄壁梁變形落錘出現偏轉等影響，使得試驗曲線與仿真曲線間呈現一定的差異。

圖9 碰撞力－位移曲線對比

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

表1 試驗與仿真數據對比

由以上對比分析可以看出，Beam焊點模型的最大碰撞力和平均碰撞力比試驗值低，模型壓潰量較試驗結果要大很多，模型剛度偏低；實體單元焊點模型結果均與試驗結果較一致，模擬精度較Beam單元高，但無論是最大碰撞力、平均碰撞力還是模型壓潰量，HEX8單元模型的結果均與試驗結果擬合度更高。在未控制最小時間步長進行質量縮放的前提下，四種不同模型的計算時間基本一致，可見使用實體單元集合焊點模型并不會大量增加有限元仿真計算工作量，故建議在整車耐撞性分析中使用HEX8單元對焊點進行模擬。

4 焊點失效模擬

4.1 失效機理

焊點失效的主要方式有兩種，一種為脆性失效，表現形式為焊點沿母板接觸面斷裂，另一種為塑性失效，表現形式為焊點拉出，母板撕裂。Sun等［11］通過剪切試驗，認為當焊點直徑小于4為母板厚度）時，趨向于發生焊核斷裂的脆性失效，而焊點直徑大于4時，趨向于發生母板撕裂的塑性失效。焊點的直徑和失效力、吸能之間存在一個近似線性的關系，在剪切試驗中，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。在汽車工業中，焊核破壞失效的情形必須避免，因此要求焊點直徑D必須滿足D≥4。一般在焊接過程中，由于受高溫和夾持力的作用，焊接區域材料特性會發生相應的變化，但焊點失效主要產生于熱影響區域材料性質變化最薄弱的位置，本文考慮到仿真分析的效率，忽略了焊接殘余應力影響及熱影響區的材料梯度變化，通過失效參數反映材料性質的改變。母板撕裂失效模式的機理如圖10所示，當焊核上作用有外部軸向拉力Fa時，此拉力將會使得繞焊核產生剪切應力τ1與τ2，剪切應力對應產生彎矩M1、M2。由于這些彎矩的存在，使得焊核周圍發生塑性變形，當焊核周圍金屬薄板的應力值超過某一極限值時，金屬薄板將會開始發生撕裂，因此而產生焊點的母板撕裂失效。

圖10 母板撕裂失效受力分析

4.2 焊點失效模擬方法

LS－DYNA提供了多種焊點失效模擬方法，主要包括有定義失效時間TFAIL強制焊點失效、定義焊點單元上積分點處的失效應變EFAIL控制失效、定義母板有效塑性應變失效以及定義焊點處失效應力來模擬控制失效等。本文中主要使用的失效準則為另外一種，即通過＊MAT＿SPOTWELD關鍵字定義焊點單元所受合力失效，焊點所受合力失效準則如下：

式中，Nrr為軸向合力；Nrs、Nrt為徑向合力；Mrr為合成轉矩；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為失效合成轉矩；MssF、MttF為失效徑向彎矩。

4.3 失效參數測定試驗

由焊點合理失效準則可以看出，通過定義焊點力模擬焊點失效，需要確定對應的焊點失效力及失效力矩，即式（1）中的 NrrF、NrsF、NrtF、MrrF、MssF以及MttF。進行如圖11所示的一組簡單焊點部件試驗，即可得到焊點失效相關參數。通過拉伸與剪切試驗可以直接測得拉伸失效力NrrF和剪切失效力NrsF，NrsF＝NrtF，彎曲失效力與扭轉失效力可以通過下式確定：

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

圖11 焊點失效參數測定試驗

通過部件試驗所得到的焊點失效參數，可應用于仿真計算中，以準確模擬焊點失效，提高有限元模型精度。通過對不同材料進行焊點部件試驗，積累各種材料的焊點失效參數，在有限元分析中進行廣泛應用，模擬乃至預測焊點失效的發生，可以大大提高模型分析精度。

5 整車應用實例

某型國產微型客車，在進行國家正面碰撞法規試驗時，左右前大梁與輪罩及前地板焊接位置均發生了焊點失效。由于此位置焊點失效的發生使得車身變形過大，試驗后右側前車門無法正常開啟，制動踏板與前地板侵入量過大，且車身B柱加速度曲線初始峰值偏低，車身吸能不夠，40ms左右加速度峰值偏高，從而使得駕駛員側頭部傷害值超過1000，未能滿足法規要求。

在整車碰撞仿真中使用Beam單元一直未能模擬出合適的焊點失效。通過對失效區域的材料進行焊點試驗，測得其拉伸失效力為4.22k N，剪切失效力為5.7k N，彎曲失效力矩為14.63 N·m，扭轉失效力矩為127.5 N·m，將 HEX8實體焊點模型應用在整車模型中，對整車變形及車身加速度曲線進行模擬，仿真結果表明，各峰值出現時刻及峰值大小均與試驗結果吻合得非常好，車身最大加速度及有效加速度誤差均控制在10%左右。因車身材料波動對整車壓潰量影響較大，故試驗車身動態壓潰量大于仿真結果約50mm，加速度持續時間稍長，如圖12與圖13所示。

圖12 車身加速度曲線對比

圖13 試驗與仿真變形對比

由于焊接工藝誤差會引起焊核直徑的變化，從而導致焊點承載能力存在波動，使得允許部分焊點發生失效來控制車身變形及改進車輛碰撞性能的目的基本無法實現，因此，在對該微型車車身方案進行改進優化時，必須考慮焊點可能發生的失效對試驗結果的影響，避免碰撞試驗中的焊點失效。檢查模型中發生失效的焊點及臨近失效狀態的焊點，通過增加高風險區域焊點數量來減小平均焊點力，可避免失效的發生。在進行第二次國家正面碰撞法規試驗中，該微型客車車身變形正常，未發生焊點失效，駕駛員側與乘員側假人傷害值分別為879和826，滿足法規要求。

［1］高衛民，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.

［2］施欲亮，朱平，沈利冰，等.基于汽車碰撞仿真的點焊連接關系有限元模擬方法［J］.機械工程學報，2007，43（7）：226－230.

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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

教育部長江學者和創新團隊發展計劃資助項目（531105050037）；湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室自主課題資助項目（60870002）；上海市數字化汽車車身工程重點實驗室開放課題基金資助項目（2010－02）

（編輯 王艷麗）

謝 斌，男，1985年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室碩士研究生。主要研究方向為汽車碰撞安全及優化方法。成艾國，男，1972年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室副主任、博士、教授。陳 濤，男，1978年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室副研究員。董立強，男，1982年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室博士研究生。