基于疲勞分析的車身關鍵結構焊點布置方案研究

王貴章，薛齊文,2，王剛

（1.大連交通大學 工程力學系，遼寧 大連 116028；2.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著汽車工業的發展，車身結構的安全性逐漸引起了人們的廣泛關注。而B柱作為汽車車身結構中重要承載部件，一般由高強度鋼通過點焊連接而成，而焊點的存在又會降低母材的使用壽命，因此B柱的使用壽命很大程度上取決于焊點的疲勞壽命。同時，在汽車行駛過程中B柱時刻承受著來自地面的作用力，當車輛遭遇側面碰撞發生變形時，B柱又能最大程度地維持車身形狀，從而保障車內人員的安全。為了保證B柱在汽車服役期間的使用壽命，對B柱焊點疲勞進行研究顯得尤為重要。

汽車B柱的焊點布局因車輛制造廠商標準的差異而略有不同，部分廠家對于B柱焊點布局甚至以經驗為主導加以布排，顯得不大嚴謹，使得一些焊點布排往往不太合理，這樣的焊點布排方式使得部分區域焊點布排過于緊密，冗余焊點數量過多，而其他一些應力相對較大區域的焊點布排卻過于分散稀疏，這樣將導致生產成本增加，還會使得焊點結構處于危險中。由于點焊設備價格昂貴，過多的焊點將增加點焊設備的數量，這無疑會增加生產成本。如果在設計初期運用有限元軟件評估焊點的疲勞壽命，就可以對不合理的焊點布局進行調整和優化，以不增加焊點個數為前提，達到提高部件焊點疲勞壽命、減少冗余焊點、節約生產成本的目的，具有一定的工程實際意義。

目前，國內外很多研究人員對評估焊點疲勞壽命做了分析。Rupp等[1]提出計算焊點及焊核周圍結構應力的方法，并以此理論為基礎對焊點疲勞壽命做出了預測；Rajai[2]和Sheppard[3]指出，在點焊部件自身結構和載荷均不相同的情況下，依舊能以焊點處周圍母材局部應力為計算手段對焊點壽命進行合理評估；朱濤等[4]用與母材板垂直的梁單元模擬焊點，基于實測載荷譜來預測點焊模型的疲勞壽命，仿真結果與實驗結果高度吻合。謝素明等[5]對列車關鍵部件處的焊點進行有限元分析并對其結構應力分布規律進行歸納總結，以結構應力為切入點，對列車關鍵部件焊點的壽命進行評估。楊少波等[6]探討焊點疲勞對網格是否敏感展開分析，深度研究網格質量對焊點疲勞損傷結果精度的影響。陳勇[7]以MATLAB為求解工具，結合全應變壽命模型，對只受車頂壓力的車輛B柱進行非線性數值計算，以此來評估焊點壽命，并對焊點布置進行優化。由此可見，從理論研究到仿真分析，國內外學者已經給出分析方法，但是上述研究工作很大部分只討論了低壽命焊點出現的位置，并沒有進一步從如何提高焊點疲勞壽命、減少冗余焊點個數的角度優化焊點布局，少部分有涉及到焊點布置優化問題的在求解焊點壽命過程中計算方法又過于繁瑣，這無疑是加大了讀者的理解難度。

針對以上問題，本文以國內某進口SUV的B柱結構為例，參考美國的焊接標準對其結構重新進行焊點布排設計，加密B柱應力分布較大區域內的焊點密度，提出了共11種分區等距焊點布排方案。與前人所做工作不同的是，本文B柱有限元分析是以簡化路面載荷為外載邊界條件，基于Optistruct計算出各方案中焊點處的結構應力，并結合ncode進行聯合仿真，對每種方案的焊點進行疲勞分析，進而找出一種既減少冗余焊點個數、又提高焊點整體疲勞壽命的最優布置方案。分析結果表明，當B柱受到路面載荷時，本文提出的分區等距焊點布排方法可有效提高B柱焊點的疲勞壽命，本文中軟件間的聯合仿真也使得計算分析流程更加簡單、便捷。

1 點焊模型建立及新方案提出

以某轎車B柱為例，外板厚0.75 mm，內板厚1 mm，焊點直徑3.5 mm。對B柱內外板進行抽取中面處理，用ACM單元（六面體單元包裹著CBAR單元）模擬焊點，并按照原車實際方案進行焊點布置，劃分點焊構件網格，構建出有限元點焊模型；對B柱進行靜力學分析，在此基礎上，根據其應力分布情況提出焊點分區等距布置新方案。

1.1 原車B柱有限元模型

B柱內外板采用殼單元，劃分網格后單元數為47 377，節點數為47 662，焊點單元數為44；原車B柱焊點分布及有限元模型如圖1和圖2所示。

圖2 B柱有限元模型及網格單元細節

1.2 靜力分析

在車輛行駛過程中，B柱受到的載荷情況比較復雜，本文僅考慮汽車在特定路況行駛時B柱所受到的地面最大作用力，方向為Z軸反方向。根據某車企提供的相關試驗數據，該車以速度15 km/h空載行駛在某一石子路段，測得B柱下端受到來自地面的最大作用力為512 N，在Optistruct中將其作為靜載邊界條件施加于B柱下端外板邊緣，并約束B柱內外板上端頂部全部節點的6個自由度，進行靜力分析，得到的內板應力云圖如圖3所示。

圖3 內板應力云圖

1.3 焊點布置方案提出

由圖1及圖3可以看出，B柱焊點布置疏密不均，且并沒有按照實際應力分布情況合理布置焊點。當B柱受到來自垂直于地面方向的作用力時，B柱上端部焊點周圍應力較大，由于原方案中上端焊點布置較少，且焊點的整體布排有些零散，因此本文按疏密分區提出11種單獨加密B柱上端焊點密度的焊點布排方案。B柱上端部分為焊點密集區域，下端部分為焊點稀疏區域，在焊點密集區上取2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、16倍網格單元尺寸的大小（單元尺寸為4 mm）作為焊點間距，從最上端第1個焊點出發，依次創建焊點；進入焊點稀疏區后，將焊點間距調整為密集區的2倍，即4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、32倍網格單元大小，疏密區域的界限為B柱內板上部平面板件向下部平面三維立體曲率過渡的地方。由于前幾種方案的焊點布置過于密集，不便于清晰地展示焊點布置變化規律，因此方案間的焊點布置變化示意圖從方案5開始，以方案5和方案11為例，展示了各方案間焊點整體變化規律，如圖4所示。焊點方案匯總如表1所示。

表1 布置方案一覽表

圖4 焊點布置變化示意圖

2 焊點疲勞壽命預估理論

通過計算焊點處結構應力，結合材料疲勞特性，運用Miner法則對焊點壽命進行估算。

2.1 結構應力的計算

圖5為典型的點焊連接件，點1和點2分別為等效CBAR單元在上下板上的端點。點1、點2處的 力Fx、Fy、Fz及 力 矩Mx、My、Mz按 照 圖 中 坐標系計算[8]。

圖5 典型點焊連接件

Rupp等[1]通過大量實驗發現，焊點失效位置通常位于焊核周邊區域，因此對于焊點處的結構應力計算引入了θ角（沿焊核圓周方向每隔18°取一個點來計算）。

上板點1位置的結構應力計算公式[9]為

下板點2處結構應力的計算參照點1，不再重復描述。

2.2 材料性能的確定

連接板和焊點具有不同的S-N曲線，但二者在應力比R=0時的疲勞特性曲線均可用以下公式表示[10]：

式中：SRI1為Y軸截距，b1為斜率，二者均為材料常數。

在應力循環過程中，平均應力敏感因子的影響需要考慮在內。應力比R≠0的平均應力Sm可按式（3）進行修正，即對應R=0時的等效應力幅值S0可表示為

式中，M為平均應力敏感因子，通常取0.1。

2.3 焊點損傷累積計算

以Miner法則作為焊點累積疲勞損傷數值計算的理論依據，計算公式[11]為

式中：Di為每級載荷循環造成的損傷，ni為每級載荷總計循環的次數，Ni，f為每級載荷對應的疲勞極限循環次數。

3 點焊疲勞壽命計算

針對本文提出的11種焊點布置模型，施加與1.2節相同的邊界條件進行靜力分析，將各工況有限元結果導入到Ncode中，定義其載荷映射、材料疲勞特性，然后進行焊點壽命分析。

3.1 疲勞載荷譜

在Max factor=1、Min factor=-1條件下，對靜載焊點處的結構應力進行縮放，為疲勞分析提供應力比R=-1的交變應力，以此來模擬汽車在較惡劣路況下行駛時焊點處的應力變化。應力比R=-1的交變應力可通過式（3）進行修正。

3.2 點焊S-N曲線

Ncode 材料庫中自帶應力比R=0時焊核和母材的疲勞特性曲線如圖6所示。

圖6 點焊S-N曲線

3.3 焊點壽命計算結果

在11種方案中選取具有明顯代表焊點壽命分布變化特點的方案1、5、9。原方案和新方案焊點壽命變化云圖如圖7所示。全部工況焊點壽命如表2所示。由圖7可知，隨著焊點密集區密度的提高，焊點整體壽命顯著提高，低壽命的焊點個數明顯減少。

表2 各工況焊點疲勞壽命一覽表

圖7 焊點壽命變化云圖

以橫坐標為密集區焊點間距，縱坐標為焊點最小壽命的對數值，將表2以點線圖的形式呈現，如圖8所示。

圖8 焊點間距-壽命點線圖

由圖7和圖8可以看出：1）當原方案B柱受到來自地面作用力時，B柱上部平面板件區域壽命普遍偏低，屬于焊點低壽命區，加大該區域的焊點密度可以提高整體焊點的使用壽命。2）11種焊點布置新方案中，隨著焊點數目的不斷減少，焊點壽命在不斷降低。密集區焊點間距8～28 mm間，各方案焊點個數相差較大，壽命降低幅度尤為明顯；密集區焊點間距28～64 mm間，各方案焊點個數相差較小，壽命降低幅度趨于平緩。3）11種焊點布置方案中，前9種方案的焊點壽命均高于原布置方案，焊點整體壽命均得到顯著提高。但焊點數目的增加無疑是提高了生產成本。綜合壽命、成本兩方面考慮，方案9密集區焊點間距為40 mm、稀疏區為80 mm的布置方案為最優化方案，該方案焊點最小壽命為1.14×105次，焊點個數為40；優于原車B柱焊點最小壽命1.068×105次，其中焊點個數為44。與原方案相比，最優方案的焊點最小壽命提高了7200次，焊點總個數減少了4個，達到提高焊點疲勞壽命和減少冗余焊點個數的目的，節約了生產成本。

4 結論

1）采用分區等距布置形式下，隨著密集區焊點間距的減小，低壽命區范圍逐漸縮減且向B柱下端部偏移，處于低壽命區的焊點分布更加集中。

2）相同焊點布置形式下，焊點個數對焊點壽命影響很大。當B柱受到來自地面作用力時，本文提出的方案中焊點壽命隨著焊點數的減少而降低，在密集區焊點間距小于28 mm時，焊點壽命對焊點個數的變化表現出高敏感性。

3）針對B柱受到路面載荷時，本文采用的分區等距焊點布置方案提高了焊點整體的抗疲勞性能，并指出了分區焊點間距與焊點最小壽命之間的關系，驗證了分區等距焊點布置方案的有效性，為此類點焊結構的焊點布置提供理論參考，聯合仿真的分析方法也使得此類問題的解決更加快捷，具有一定的工程實際意義。