汽車碰撞分析中焊點(diǎn)模擬的研究

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(jìn)入21世紀(jì)以來，全球汽車制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)安全性能的研究中，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真分析是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，大大縮短了汽車的開發(fā)周期。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jì)，我國(guó)每年發(fā)生的交通事故幾十萬起，造成上萬人傷亡，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[1]。對(duì)汽車的碰撞安全性能進(jìn)行研究非常重要。

汽車的車身結(jié)構(gòu)主要是由不同的金屬構(gòu)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(diǎn)焊連接具有質(zhì)量輕、可靠性好、性能穩(wěn)定和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中被廣泛采用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每輛轎車車身上，通常會(huì)有幾千個(gè)焊點(diǎn)。焊接質(zhì)量對(duì)整車碰撞尤為重要，如若焊點(diǎn)模擬不準(zhǔn)確，會(huì)降低碰撞模擬精度，甚至引起整個(gè)模擬結(jié)果失敗[2]。因此，如何在仿真中準(zhǔn)確模擬焊接單元，保證碰撞分析結(jié)果的正確性，是本文的重點(diǎn)研究。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于焊點(diǎn)模擬已做了大量研究。其中法國(guó)的研究人員采用有限元法模擬了單一焊點(diǎn)的剪切搭接試驗(yàn)、正拉伸試驗(yàn)，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(duì)整車碰撞過程中焊點(diǎn)的失效進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬[4]；我國(guó)的各汽車研發(fā)中心和高效也展開了大量研究，如同濟(jì)大學(xué)的高衛(wèi)民對(duì)碰撞模擬過程中焊點(diǎn)的影響進(jìn)行了研究，提出了碰撞模擬中常用的焊點(diǎn)模擬方法[5]；吉林大學(xué)的宋海生等對(duì)整車模態(tài)分析中焊點(diǎn)模擬方法進(jìn)行了研究，得出整車模態(tài)分析中采樣彈塑性梁?jiǎn)卧M焊點(diǎn)更準(zhǔn)確[6]。

1 焊點(diǎn)模擬方法

一般情況下，在碰撞模擬分析中，采用的焊點(diǎn)模擬方法有無質(zhì)量剛性梁焊點(diǎn)、可變形梁?jiǎn)卧更c(diǎn)、體單元焊點(diǎn)。

無質(zhì)量剛性梁焊點(diǎn)模擬方法就是在焊點(diǎn)位置上用無質(zhì)量剛性梁來連接殼單元相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，通過耦合焊點(diǎn)位置相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度來模擬焊點(diǎn)的力學(xué)行為，這是一種最為簡(jiǎn)單的焊點(diǎn)模擬方法。這種模擬方式的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)沒影響，但是其要求單元的網(wǎng)格最好垂直對(duì)齊，并且忽略了焊點(diǎn)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(diǎn)模型

可變形梁?jiǎn)卧更c(diǎn)使用Beam單元連接兩層殼單元，如圖2 所示，力通過梁?jiǎn)卧獊磉M(jìn)行傳遞。通過定義Beam 單元的材料屬性，來模擬焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)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(diǎn)模型對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不依賴，可以在單元表面創(chuàng)建，建模過程比較簡(jiǎn)單，且力不是通過單元節(jié)點(diǎn)傳遞，而是通過單元面?zhèn)鬟f，這種傳遞方式比較真實(shí)的模擬了焊點(diǎn)的受力情況。主要缺點(diǎn)就是不能傳遞平面內(nèi)扭矩，并且對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)有影響。

圖2 Beam 梁?jiǎn)卧更c(diǎn)模型

體單元焊點(diǎn)通過使用實(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。實(shí)體焊點(diǎn)的模擬有兩種常用方法，第一就是直接創(chuàng)建hexa 類型的實(shí)體焊點(diǎn)；第二種就是在生成的Beam 梁?jiǎn)卧更c(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過卡片設(shè)置輸出實(shí)體焊點(diǎn)，使用一組實(shí)體單元的集合來對(duì)單個(gè)焊點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬。實(shí)體單元可以采用不同的HEX 來對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，HEX1 表示使用單個(gè)實(shí)體單元來對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，而HEX4 則使用4個(gè)實(shí)體單元所組成的集合來對(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。焊點(diǎn)相關(guān)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的輸出并不是基于單個(gè)實(shí)體單元，而是模擬一個(gè)焊點(diǎn)的所有實(shí)體單元的集合。體單元模擬精度高，可以克服梁?jiǎn)卧荒軅鬟f平面扭矩情況，但是其建模難度較大，對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)影響較大。

圖3 傳統(tǒng)體單元焊點(diǎn)模型

在一個(gè)整車有限元模型中，焊點(diǎn)需要通過接觸來定義，而不是殼單元節(jié)點(diǎn)之間的連接。采用接觸定義來連接，能降低對(duì)網(wǎng)格劃分的要求，減少前處理時(shí)間，同時(shí)這種模擬方式也比較接近實(shí)際情況。不同焊點(diǎn)類型所定義的接觸不一樣，其中無質(zhì)量剛性梁焊點(diǎn)通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED SPOTWELD 或者*CONSTRAINED NODAL RIGID BODY 來定義；可變性梁?jiǎn)卧更c(diǎn)通過關(guān)鍵字*CONTACT SPOTWELD來定義接觸，體單元焊點(diǎn)通過*CONTACTTIED SHELL EDEG TO SURFACE 來定義接觸。

2 臺(tái)車碰撞模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證分析

本次研究選用臺(tái)車上焊接部分前大梁組件進(jìn)行正碰試驗(yàn)，根據(jù)臺(tái)車的實(shí)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(tái)車上。大梁組件的焊接要求即焊點(diǎn)間距約為40mm，且無虛焊、漏焊。碰撞小車總質(zhì)量1168kg；碰撞小車的速度為13.8m/s。首先采用hypermesh 軟件對(duì)整車建模，利用ls-dyna 軟件進(jìn)行計(jì)算，然后用hyperview 軟件進(jìn)行結(jié)果后處理分析。如下圖4 所示。

圖4 臺(tái)車有限元模型

分別采用不同的焊點(diǎn)模擬方法進(jìn)行仿真分析，仿真分析中為保證模型的精度，整車質(zhì)量增加一般控制在5%之內(nèi)。下圖5 所示為不同焊點(diǎn)模擬方式下仿真模型計(jì)算過程中產(chǎn)生的質(zhì)量增加，使用梁?jiǎn)卧更c(diǎn)時(shí)模型質(zhì)量增加最少，手動(dòng)建立實(shí)體焊點(diǎn)的模型次之，卡片控制輸出焊點(diǎn)實(shí)體集的情況下，采用hex1 和hex4 類型質(zhì)量增加的基本一致，采用hex8 類型則質(zhì)量增加明顯多于其他幾個(gè)模型。

圖5 不同焊點(diǎn)模擬方式下的質(zhì)量增加

圖6 所示為大梁仿真變形與試驗(yàn)變形的對(duì)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(yàn)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(yàn)有較大的差別。

圖7 是試驗(yàn)與仿真的整車加速度曲線對(duì)比。采用手動(dòng)建立實(shí)體焊點(diǎn)的模型加速度曲線第一個(gè)峰值大小和試驗(yàn)基本一致，第一個(gè)峰值出現(xiàn)的時(shí)間向后推遲5ms；采用卡片控制輸出實(shí)體焊點(diǎn)的三種模型的第一個(gè)峰值基本一致，比試驗(yàn)的第一個(gè)峰值要小3g 左右；采用beam 梁?jiǎn)卧更c(diǎn)的第一個(gè)峰值最低，比試驗(yàn)的小5.5g 左右；整個(gè)碰撞時(shí)間，手動(dòng)建立實(shí)體焊點(diǎn)的模型也和試驗(yàn)的較接近，其它幾個(gè)模型碰撞時(shí)間明顯比試驗(yàn)的要長(zhǎng)。

圖6 實(shí)驗(yàn)與仿真大梁變形對(duì)比

圖7 試驗(yàn)與仿真的加速度曲線對(duì)比

對(duì)焊點(diǎn)單元采用不同的模擬方法，得到的碰撞模型結(jié)果差別較大，通過臺(tái)車模型試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出，以上幾種焊點(diǎn)模擬方法中，手動(dòng)建立實(shí)體焊點(diǎn)的大梁壓潰變形模式以及加速度曲線峰值和碰撞時(shí)間都和試驗(yàn)較接近，更能準(zhǔn)確的模擬焊點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文以50km/h 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了碰撞仿真分析中焊點(diǎn)單元的準(zhǔn)確模擬方法。建立5 中不同類型的焊點(diǎn)模型，通過臺(tái)車模型試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出，對(duì)焊點(diǎn)單元采用不同的模擬方法，得到的碰撞模型結(jié)果差別較大，幾種焊點(diǎn)模擬方法中，手動(dòng)建立實(shí)體焊點(diǎn)的大梁壓潰變形模式以及加速度曲線峰值和碰撞時(shí)間都和試驗(yàn)較接近，更能準(zhǔn)確的模擬焊點(diǎn)。

［1］中華人民共和國(guó)道路交通事故統(tǒng)計(jì)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(guān)系的有限元模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(diǎn)的影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（7）：870-873.

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