汽車點焊模型有限元分析的發展及其應用

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汽車點焊模型有限元分析的發展及其應用

在汽車工業中，點焊是車身金屬薄板結構主要的連接方式，分布于車身各個部位。點焊結構具有結構緊湊、質量輕、強度高和耐腐蝕等特性。由于車身結構中點焊數多達上千個，因此點焊對車身整體結構剛度的影響很大，建立準確的點焊有限元模型對于充分模擬車身結構剛度至關重要。對此，介紹了在有限元分析中點焊模型的發展和點焊失效形式。

點焊區域由于存在幾何不連續、殘余應力、材料特性不一致和焊接過程產生的缺陷等因素，因此在有限元中對其建模非常困難。目前，有兩種點焊模型建立方法：一種是基于應力的方法；另一種基于應變的方法。前者采用獨立梁或獨立六面體實體單元模擬點焊，通過力和力矩準則建立點焊區域的應力場；后者采用與鄰近殼單元相連的六面體實體單元模擬，主要用來了解真實點焊剛度特性以及點焊對車身其余部分剛度的影響。基于應變方法建模的優點是，所建立的點焊模型不僅適用于基材的破壞分析，而且適用于對點焊熱影響區的分析；而基于應力建模的方法無法對熱影響區的焊接縮孔進行預測。對采用點焊連接的車身進行結構強度分析或模擬時，需要先確定點焊破壞形式。點焊破壞形式一般包括基于塑性應變的塑性失效和基于焊接單元力的脆性失效。焊點本身的失效多為脆性失效，即焊點斷開，因而對汽車點焊的有限元分析采用脆性失效準則。

采用有限元軟件LS-DYNA3D，按照基于應變的點焊模型和脆性失效準則對車身焊點的抗拉強度和剪切強度進行分析。結果顯示，有限元分析結果與真實結果接近，但還存在一定的差異。這種差異的產生一方面與有限元分析時所劃分網格的尺寸和類型有關，另一方面與車身的載荷加載情況有關。對于前一種原因，在權衡模擬時間后，盡可能縮小網格尺寸，得到更精確的結果；對于后一種原因，將通過引入正則化因子，消除這種原因產生的差異。

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

編譯：李臣