汽車兒童座椅固定結構開發中焊點失效模擬方法研究

徐海軍

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

0 引言

汽車是人們日常生活中不可或缺的交通工具。汽車安全性越來越受到消費者的重視。焊點作為連接結構，在維持車身結構完整性，保證乘員安全方面起著至關重要的作用。

本文以焊點拉剪失效試驗為基礎，通過數學手段擬合母材屬性與焊點失效力閾值之間的函數關系，得到焊點失效力閾值的計算方法，利用有限元手段進行驗證及工程應用，提高結構安全性。

1 焊點失效介紹

碰撞過程中的焊點失效可以分為焊核的脆性斷裂和母材的韌性斷裂兩種類型。韌性失效主要發生在焊接結構的熱影響區，表現為焊核從母材中完整的拉脫出來，并伴隨著周圍母材的塑性變形。熱影響區的強度受母材材料、厚度等的影響。由于變形過程中可以吸收更多的能量，因此韌性斷裂是更希望出現的失效形式。焊核的脆性斷裂主要受焊核強度、焊核質量的影響，通過調整焊接工藝參數，可以提高焊核強度、減少焊接缺陷，進而降低脆性斷裂概率[1]。本文以母材韌性斷裂為研究內容。

2 焊點拉伸和剪切試驗

2.1 試驗過程

試驗樣件、設備如圖1、圖2所示。

圖1試驗樣件

圖2試驗設備

樣件尺寸及具體試驗過程按照GB/T 2651及GB/T 228進行。限于試驗數量，選取4種材料，每種材料選取4個厚度值（0.5mm、1mm、1.5mm、2mm），參照全因子法原理進行試驗方案設計，結合焊接實際情況去掉重復及無實際意義的焊接組合。

樣件材料及厚度值如表1所示。

表1樣件材料及厚度

部分試件組合及試驗結果如表2所示。

表2部分試件組合及試驗結果

2.2 數據處理

通過構建響應面的方法進行數據擬合。利用優化軟件OPTIMUS中的后處理功能，可以快速建立響應面模型。這里選擇最小二乘法響應面模型，利用泰勒公式進行多項式展開。所得響應面如圖3、圖4所示。

圖3拉力響應面

圖4剪力響應面

圖5、圖6中標出了樣件的材料參數和厚度對焊點失效拉力和剪力的貢獻度，同時也列出了所擬合的多項式中一次項及常數項的系數。

圖5拉力參數貢獻度

圖5和圖6中第三行所示參數R2press表明了響應面的精度，由圖所示 R2press（FN）=0.992、R2press（FS）=0.999，精度滿足工程應用要求。

3 函數驗證

3.1 失效卡片開發

擬合所得的函數關系式將通過PAM-CRASH計算軟件進行工程應用。這里使用PAM-CRASH軟件中的Multi-Plink單元模擬焊點結構，如圖7所示。其以一個中心點及4個衛星點的形式組成焊點，進行力的傳遞。

圖6剪力參數貢獻度

圖7 Multi-Plink焊點

通過設置焊點材料的失效準則實現焊點失效的模擬[2]。失效準則如公式（1）所示。

AFN：拉力失效閾值

AFS：剪力失效閾值

FN：計算所得拉力

FS：計算所得剪力

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A1、A2：權重指數

其中AFN、AFS即為之前擬合的函數公式所求的拉力和剪力閾值，是建立焊點失效模擬的關鍵參數[3-5]。

通過TCL/TK語言編程，定制生成PAM-CRASH中計算焊點失效卡片的工具，如圖8所示。

圖8失效卡片生成工具

通過輸入焊點連接信息，便可以利用第2節得到的響應面關系計算出焊點失效拉力和剪力的閾值。

3.2 驗證模型建立

通過ISOFIX固定點靜態試驗和仿真結果的比對驗證焊點失效模型。

如圖9所示，為仿真所用網格模型。加載條件與試驗保持一致，具體試驗過程參照GB14167相關要求進行，圖10所示為試驗加載曲線。

圖9 ISOFIX有限元模型

圖10試驗加載曲線

4 仿真結果與試驗比對

試驗加載前后狀態如圖11、圖12所示。

圖11試驗前

圖12試驗后

圖12顯示ISOFIX固定點出現嚴重變形。拆解后發現，左下固定點發生塑性變形及焊點失效現象，失效焊點數量為6個。

試驗結果與仿真結果的對比，如圖13所示。

由圖14所示，失效焊點分布在左下固定點，數量為6個。仿真計算中，焊點失效表現為焊點消失。仿真結果顯示，左下固定點的6個焊點失效，與試驗結果一致。

圖13仿真及試驗變形方式對比

由圖13可知，仿真結果中，左下固定點的變形方式與試驗結果吻合良好。

通過軟件Animator進行后處理分析，運用腳本工具自動顯示失效焊點數量、失效順序及失效時刻的載荷情況，如圖14所示即為軟件中顯示的失效焊點信息：

圖14失效焊點信息

5 結語

本文以焊點拉、剪試驗為基礎，通過數學手段擬合得到母材材料、厚度與焊點失效閾值之間的函數關系。

經過仿真及試驗比對，根據此函數關系進行的仿真計算，其結果與試驗吻合良好，滿足工程應用要求。