基于動態顯示分析法的焊點疲勞壽命預測研究

鄭與波，臧宏建，丁智

基于動態顯示分析法的焊點疲勞壽命預測研究

鄭與波，臧宏建，丁智

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，浙江 寧波 315000）

傳統汽車車身主要的連接方式是電阻點焊，電阻點焊的CAE模擬方式種類較多，常見的模擬方式有ACM模擬法，CWELD模擬法，SPIDER模擬法，FEFAT SPOT模擬法等。上述不同的焊點模擬方式對車身的模態剛度等基礎性能的仿真計算結果影響不大，這些模擬方式都能實現其主要的連接功能。但是如果需要考慮焊接熱影響區的性能，就要選擇特定的焊點模擬方式，并需要對焊點建模局部進行特殊的處理，比如高速碰撞過程中需要考慮焊點撕裂，車身耐久分析中需要考慮焊點的疲勞失效等。文章基于滑移門開關閉耐久工況進行CAE與試驗對標，對焊點疲勞壽命預測方法進行研究。研究結果表明：對于動態顯示分析法，焊點疲勞壽命預測分析需要使用FEFAT SPOT模型，其中焊核尺寸大小的模擬需要進行0.8倍的縮放。

動態顯示；模態瞬態；焊點疲勞；滑移門；開關閉耐久

引言

車身是汽車的重要組成部分，其主要作用是保護駕乘人員及構成良好的空氣力學環境，其主要分為承載式車身和飛承載式車身，對于乘用車而言，大部分都采用承載式車身。開閉件是安裝在車身上可以實現開啟與關閉功能的系統，一板包括前后門和前后蓋，均可以實現在汽車行駛過程中處于關閉密封狀態，而在車輛停止狀態，可以有開啟的功能。車身和開閉件可以組成一個封閉的整體，一共約有近千個零部件組成，而這些零部件主要通過電阻點焊連接在一起，車身開閉件大約有4 000～5 000個焊點。在涉及到車身開閉件的CAE有限元分析中，焊點一般通過梁單元或體單元來模擬，如ACM，CWELD，SPIDER，FEFAT SPOT等等。對于車身彎扭剛度和模態計算，上述不同焊點模擬方式對結果影響不大，但是對于需要考慮焊接熱影響區的性能分析計算，如高速碰撞過程中，焊點被撕裂失效的模擬，車身耐久分析中焊點疲勞壽命預測分析計算等，就需要選用特殊的焊點模擬方式和特殊的建模需求。本文基于滑移門開關閉耐久工況進行CAE與試驗對標，對焊點疲勞壽命預測方法進行研究。研究結果表明：對于動態顯示分析法，焊點疲勞壽命預測分析需要使用FEFAT SPOT焊點建模方式，其中焊核大小的模擬需要進行0.8倍的縮放。

1 理論及背景介紹

1.1 基礎理論介紹

汽車行業使用的金屬材料點焊焊接疲勞特性主要包括如下三點：

（1）焊點的疲勞特性與母材的強度關聯不大[1]；

（2）焊點的疲勞特性主要受幾何因素的影響，如母材厚度、焊核大小、樣件的尺寸等；

（3）焊點的平均應力對焊點的疲勞壽命影響不大。

SAE（汽車工程協會）推薦的標準焊點計算的測試方法有剝離測試（Coach Peel）和剪切測試（Tensile Shear）[2]，如圖1。得到行業普遍認可的焊點疲勞分析方法有五種[3]：基于斷裂力學的Swllam的方法、基于應力的Rupp-Storzel- Grubisic方法、Kang-Dong-Hong方法、Sheppard方法和Kang的方法。這五種分析方法計算結果與試驗結果均吻合得較好，其中Swellam的方法相比其他四種方法稍差，Swellam的方法的數據分散性較大[4]。

圖1 SAE推薦的焊點標準測試方法

在焊點分析的方法中，也可以進一步分為兩種不同的方法。一類是通過線性有限元計算得到焊點和焊點邊緣上節點的力和力矩，再使用各種焊點的理論和力學模型計算焊點和焊點邊緣的應力，這類應力被稱為焊點的結構應力，上述四種基于應力的焊點分析方法都是屬于這一類方法。結構應力法比較簡單，主要是根據工程分析的實際需求發展起來的，在工程中應用較多，有些已經在商用軟件中被采用。在疲勞軟件nCode中，焊點的分析采用Rupp-Storzel-Grubisic方法。另一類應力法直接計算和利用有限元模型中單元應力進行焊點分析，可以稱為有限單元應力法，文獻[5]中使用了類似的方法進行焊點疲勞的分析和對標。

下面基于Rupp-Storzel-Grubisic方法[6]來介紹焊點疲勞分析方法。此方法用一維剛性單元或桿單元來模擬焊點連接鈑金件，用線性有限元的方法獲得鈑金件連接處的力和力矩，再進一步計算焊核內部和鈑金件延焊核邊緣的結構應力。如下圖2所示焊點受力示意圖，焊點簡化成一個桿單元，假設板1厚度，焊核直徑，沿焊核軸向的方向為，焊點所連接的平面為-平面，垂直于焊核軸向方向。從有限元分析得到的一維單元節點三個方向的力和力矩為：F、F、F、M、M、M。

圖2 焊點一端受力

焊核內應力的計算公式如下：

軸向（法向）應力為：

彎曲應力為：

最大剪切應力為：

鈑金上沿著焊核周圈的結構應力隨著角度α的變化而變化，其計算公式為[7]：

1.2 背景介紹

對于車身和開閉件焊點耐久分析，通常采用準靜態或模態瞬態分析法，焊點疲勞分析一般采用ACM（Area Contact Methods）模擬方法。此方法的優點是建模簡單，分析結果一致性較好，缺點是ACM焊點兩端鈑金的力和力矩的大小受焊點連接鈑金單元分布有關，但是總體上ACM焊點分析法結果一致性較好，疲勞分析商業軟件nCode中也是推薦使用ACM分析法。

對于傳統側開車門開關閉耐久仿真分析采用非線性瞬態法，焊點疲勞使用ACM分析法，但是對于滑移門開關閉耐久仿真分析不能使用瞬態分析法，因為滑移門實現開關閉功能的運動機構是導軌和滑輪機構，如果采用傳統側開門開關閉耐久的瞬態分析法，則不能模擬出滑移門滾輪與導軌之間的相對運動關系，更無法得到焊點疲勞分析所需的精確的力和力矩，只有使用動態顯示分析法，才能模擬出導軌和滑輪之間的相對運動關系以及焊點疲勞分析所需要的力和力矩。為了滿足滑移門開關閉耐久的分析需求，本論文選擇了LS-DYNA軟件中顯示分析模塊進行有限元仿真分析，使用FEFAT-SPOT焊點模型。疲勞分析選用nCode軟件。

2 動態顯示法焊點疲勞分析研究

2.1 基于子模型的對標研究

基于動態顯示法的焊點疲勞分析，前期沒有太多項目分析的經驗可以參考，也沒有太多參考文獻，所以需要基于一個子模型進行對標研究，找到合適的方法和參數之后，再基于滑移門系統進行試驗與CAE對標。

圖3 焊點疲勞研究模型圖

圖4 加載力F圖示（循環20萬次）

如圖3所示，設計一個簡單的板殼焊接模型，用于研究不同仿真方法的焊點疲勞壽命。如圖模型中含有焊點兩種典型的失效的受力模式——剪切和剝離。邊界條件為：右側鈑金中部全約束，向左加載0～600 N勻速增加的力，持續時間20毫秒，循環20萬次，如圖4?；谏鲜龅倪吔鐥l件和加載條件，使用ACM分析法（圖5(a)所示）計算焊點疲勞壽命作為目標，使用FEFAT-SPOT分析法（圖5(b)所示）計算焊點的疲勞壽命，并通過調整有限元模型參數得到一系列焊點疲勞壽命結果。表1和表2對比了基于子模型的6個焊點在使用ACM法和FEFAT-SPOT法不同建模參數的疲勞壽命結果，圖6和圖7分別是表1和表2的散點圖示，更加直觀。

圖5 焊點模擬方式圖示

表1 FEFAT-SPOT焊核周圈8節點疲勞壽命對比

焊點類型焊點參數焊點單元疲勞壽命（%） P1P2P3P4P5P6 ACM0.53*area531.4715.6295.2486.3876.7608 FEFAT SPOT0.3*DWasher*8185886654584314543024402 FEFAT SPOT0.58*DWasher*8164271743690277240772696 FEFAT SPOT0.8*DWasher*8166971413476265237793387 FEFAT SPOT1.5*DWasher*8178735741767197718272741

表2 FEFAT-SPOT焊核周圈16節點疲勞壽命對比

焊點類型焊點參數焊點單元疲勞壽命（%） P1P2P3P4P5P6 ACM0.53*area531.4715.6295.2486.3876.7608 FEFAT SPOT0.3*DWasher*16152750783079225031312848 FEFAT SPOT0.58*DWasher*16631.21398955.6747.61112891.5 FEFAT SPOT0.7*DWasher*16505.9788.6705.5577.2632633 FEFAT SPOT0.8*DWasher*16413.1659.3430.1393.6519.5502.5 FEFAT SPOT1.5*DWasher*16131.7131.1125.3119133.3156.2

通過對比不同仿真參數的焊點疲勞壽命（圖7和圖8），可以得出如下結論：基于動態顯示分析，焊點疲勞壽命計算模型為FEFAT-SPOT模型，同時焊核直徑需要縮小至原來的0.8倍，焊核周圈有限單元節點數不少于16。

圖6 FEFAT-SPOT焊核周圈8節點疲勞壽命對比

圖7 FEFAT-SPOT焊核周圈16節點疲勞壽命對比

圖 8 FEFAT-SPOT焊點不同參數模型對比

2.2 基于滑移門系統開關閉耐久對標

圖9 某車型滑移門開關閉耐久試驗失效問題

圖10 緩沖座處焊點鈑金CAE計算結果（目標>200 %）

某搭載滑移門的車型在開發過程中，開關閉耐久試驗出現了多處焊點及鈑金開裂失效。由于前期仿真經驗不足，并未作出很好的預測和改進。對于試驗中失效的問題，基于上文中的分析方法，CAE復現了問題并進行結構改進，再次試驗驗證，所有失效問題全部得到解決。

圖11 水切處鈑金及導軌處焊點CAE結果（目標>200 %）

3 結論

通過上述研究及對標分析，可以得出如下結論：

（1）對于滑移門開關閉耐久CAE分析，需要使用動態顯示分析法，并使用FEFAT-SPOT焊點模型來預測焊點疲勞壽命；

（2）通過CAE與試驗對標，可以看出，上述方法可以很好地復現試驗中結構類失效問題，并利用仿真手段制定優化措施，從而實現仿真驅動設計的目的；

（3）基于動態顯示有限元分析法，焊點疲勞壽命CAE計算使用FEFAT-SPOT焊點模型，CAE分析結果可以很好地與試驗結果吻合；

（4）FEFAT-SPOT焊點模型在動態顯示分析中應用，需要保證焊點局部模型的的網格尺寸約3 mm，焊核模型尺寸需要縮小至原尺寸的0.8倍，同時焊核周圈有限單元節點數不少于16。

[1] 兆文忠,李向偉,董平沙.焊接結構抗疲勞設計理論與方法[J].焊接技術,2017(08):70.

[2] R.Mohan Iyengar1, M.Amaya2,J.Bonnen.(2008) Fatigue of Spot- Weld Sheet Steel Joints:Physical, Mechanics,and Process Variability. Great Designs in Steel-April 9,2008.

[3] 黃力平,陳嘉全.汽車結構的耐久性理論與實踐[M].北京:機械工業出版社,2020.6第六章.

[4] Bonnen J, etc. Fatigue of advanced High Strength Steel Spot –Welds. SAE Technology paper 2006-01-0978[C].Detroit:SAEworld congr- ess,2006.

[5] Kang, H. T., Dong, P. and Hong, J. K. (2007) Fatigue analysis of spot welds using a mesh-insensitive structural stress approach[J].Fati- gue 29,1546–1553.

[6] RuppA.,StorzelK,GrubisicV.Computer Aided Dimensioning of Spot– Welded Automotive Structures. SAE technology report No. 950711 [C]. Detroit: SAE International Congress and Exposition,1995.

[7] JOEL ANDERSSON, Fatigue Life and Stiffness of the Spider Spot Weld Model, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2014:22.

The Study of Fatigue Life Prediction of Spot Weld Based on Dynamic Explicit Analysis

ZHENG Yubo, ZANG Hongjian, DING Zhi

( Geely Automobile Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315000 )

The traditional connection way of body in white is resistance spot weld, there are some different simulation methods for spot weld such as ACM, CWELD, SPIDER, FEFAT SPOT etc. There is little effect for modal and stiffness calculation result of BIW as the connection function of spot weld can be simulated well for mentioned simulation methods of spot weld. While if the performance of heat affected zone need be considered, the specific simulation and modeling methods should be used such as consideration of spot weld crack failure for high speed impact load case and fatigue analysis of body. For this paper, the correlation between CAE and test has been done for sliding door slam fatigue load case in order to study the CAE method of spot weld fatigue life prediction. The result shows FEFAT SPOT simulation method and the 0.8 factor scaled spot nugget shall be used for CAE analysis of spot weld fatigue life prediction for dynamic implicit method.

Dynamic implicit; Modal transient method; Spot weld fatigue; Sliding door; Slam fatigue

U466

A

1671-7988(2021)20-147-04

U466

A

1671-7988(2021)20-147-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.036

鄭與波（1986—），男，就職于吉利汽車研究院整車工程中心整車仿真技術開發部，耐久屬性開發主任工程師，主攻方向：車身開閉件結構耐久仿真及研究。