CN101561840A - 点焊连接及其失效的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种点焊连接及其失效的数值模拟方法。其特点是根据焊点由于材料性质变化的不同而分为焊核区和热影响区两个区域的结构特点，使用体网格和壳网格分别建立了由焊核区和热影响区组成的焊点有限元模型，为焊点失效参数设置提供了针对性的实施基础。其优点是避免了焊点数学模型研究上的复杂性，简化了焊点模拟失效判断标准，遵循了同一问题同一标准的原则，拓展了点焊失效模拟的功能。该方法对焊点模型网格的形成提出了具体的构建规则，该规则适合编程自动实现。

Description

点焊连接及其失效的数值模拟方法

技术领域

本发明涉及的是：在汽车研发过程中，一种采用有限元模型对点焊连接及其失效的数值模拟方法，尤其是对焊点拉脱失效与焊点焊核失效的模拟。

背景技术

点焊是众多焊接工艺中的一种，如同激光焊、熔化焊一样，而焊点是指点焊焊接工艺产生的结果形态，本文中点焊有时亦可指称焊点。点焊失效模式主要有两种：拉脱失效(Pullout failure)与焊核失效(Interfacial failure)，前者是指焊点热影响区(HeatAffected Zone)材料沿焊核(Nugget)周围整圈撕裂而焊核保持完整的现象；后者是指焊核接合面分离而热影响区及母材未撕裂的现象。

点焊失效对仿真结果的影响主要有两个方面：一是，焊点是吸能的，对碰撞仿真分析有一定程度的影响；二是，焊点失效后会影响或改变载荷传递路径和效果，直接影响计算结果的可信度。

点焊失效模拟一直是整车碰撞仿真中属于基础性理论研究范畴的难点问题。长期以来，学界和工程界都做了大量研究工作，比如有文献提出用6自由度2节点弹簧单元来模拟焊点的方法，其失效准则为焊点峰值力、位移和能量等参数。目前焊点研究的整体趋势是用体单元代替目前的梁单元模拟，比如：Honda对焊点的研究表明用多个固体单元来模拟焊点比较精确。丰田汽车利用自己开发的焊点失效模型成功的模拟了焊点拉脱失效，并将其应用到整车碰撞模型当中，对点焊失效模拟结果与试验结果进行了比较，取得了满意的效果。

目前点焊失效模拟方法的主要特点是：基本上都只考虑对焊核的模拟，将其简化为一维单元，因而，需要建立一个复杂的焊点数学模型以描叙焊核，同时，设置许多焊核载荷参数以进行失效判断。如果没有相关焊点数据库的支持，不能有效预测点焊失效，比如通用汽车整车碰撞模型中对点焊失效处理的要求是：对经验判断存在点焊失效的区域，才需要考虑点焊失效，如何设置点焊失效参数则需参照焊点数据库。因此，在实际工程应用中对缺乏数据库的主机厂很难执行，目前比较普遍的处理是采用不考虑点焊失效问题的可变形梁单元。

本发明点焊模拟研究完全采用有限元建模的方法，不需要对针对焊点专门进行数学模型的描叙，克服了目前焊点模拟方法中存在的各种问题，比如只需要输入焊点母材的延伸率以作为判断点焊失效的阀值，而材料延伸率则可以直接从相关材料手册中查到。

与本发明研究思路相近的一篇文献：从微观层面研究了焊点热影响区材料性质的变化对点焊失效的影响，提出将焊点热影响区分成若干个子区域，每个子区域材料参数和失效参数都不同。该文献为点焊模拟的研究拓展了思路，但对焊点模型网格的处理基本没有考虑工程应用的可行性，且失效塑性应变的确定本身来自焊点试验失效仿真，逻辑上存在疑问，在工程实践中很难有实际应用价值。因此，在本发明焊点模拟方法研究中，引入了等效原则对焊点模型进行简化。等效原则主要包含两层意思：一是，对焊接工艺过程中产生的大量热引起的焊点局部材料性质变化进行等效；二是，对点焊失效模式进行等效。该等效原则相比目前点焊模型将焊点简化为一维单元是一种进步，更符合焊点实际情况。

发明内容

本发明提供了一种点焊连接及其的失效模拟方法，该方法完全采用有限元方法构建焊点模型，避免了对焊点数学模型的描叙，克服了目前焊点失效模拟方法中存在的各种问题。

本发明的焊点模型具体构建方案是：根据焊点由于材料性质变化的不同而分为焊核区和热影响区两个区域的结构特点，使用体网格和壳网格分别建立了由焊核区和热影响区组成的焊点有限元模型，为焊点失效参数的设置提供了针对性的实施基础，该方法并对焊点模型网格的形成提出了具体的构建规则，该规则适合编程自动实现，其焊点模型建立具体步骤为：

第一步，确定焊核区网格的形状及大小：焊核区由一层或者多层网格组成，且每层由四个体网格组成，其俯视边界是四边形或者八边形之一种；焊核区直径根据焊核实际直径或焊接工艺平均直径确定；

第二步，确定焊点有限元模型边界位置、大小和边界节点个数及准确位置：在确定焊核区网格之后，在焊核区上、下两个表面所在的平面内分别构建上、下两个四边形的焊点模型边界，并使上、下两个四边形几何中心分别与焊核区上、下两个表面几何中心偏离不超过6.0mm；焊点模型边界大小由焊接边宽度决定；焊点模型边界每条边上布置三个共八个节点，并使节点落在焊核区上、下面边界上的对边和对角节点的连线上；

第三步，确定热影响区网格：对确定的上、下两个四边形焊点模型边界上的节点和焊核区上、下表面边界上的节点，将同一平面对应边界上且相邻的四个节点，各自边界上取两个节点，依次连接形成四边形网格，从而由焊核区上、下表面边界到四边形的焊点模型边界范围内分别构成一圈过渡网格，并将其定义为焊点模型的上、下两个热影响区。

在第三步的基础上可形成两圈过渡网格：在焊核区上、下表面边界到焊点模型上、下边界范围内，在两边界上相邻两个节点连线之间设置一个节点，将临近的四个节点依次连接形成四边形网格，构成两圈过渡网格，将与焊核区边界相连的一圈网格定义为焊点上、下两个热影响区，将热影响区外围的一圈网格定义为焊点上、下两个母材区；或者将两圈网格全部定义为热影响区。

在第三步的基础上可形成三圈过渡网格：在由焊核区上、下表面边界到焊点模型上、下边界范围内，在两边界上相邻两个节点连线之间设置两个节点，将临近的四个节点依次连接形成四边形网格，构成三圈过渡网格，将与焊核区边界相连的一圈网格定义为焊点上、下两个热影响区，将热影响区外围的两圈网格定义为焊点上、下两个母材区；或者将两圈网格全部定义为热影响区。

构建完焊点各区域的网格之后对热影响区、焊核区及母材区赋予材料、厚度属性，特别是对热影响区和焊核区分别设置失效塑性应变，作为判断材料失效的关键参数以等效热影响区和焊核区材料性质变化引起的点焊失效。

上述一圈或两圈过渡网格焊点有限元模型主要用于碰撞分析，三圈过渡网格焊点有限元模型主要用于焊点模型研究分析及准静态问题。

与目前大部分焊点模拟方法相比，本发明点焊失效模拟方法具有以下四个显著优点：

第一，避免了焊点数学模型研究上的复杂性。本发明焊点模型完全采用有限元建模的方法模拟点焊失效，尽管增加了建模的麻烦，但却巧妙的避开了对焊点的理论研究，遵循了将复杂的焊点模拟问题简单化的工程问题解决思路。

第二，简化了焊点模拟失效判断标准。目前判断标准主要是焊点力、力矩等，与焊点具体受力状态相关性很大，一般是根据具体点焊失效结果或经验，通过调试焊点模型确定点焊失效参数，用于下一次的点焊失效预测。而实际情况中，焊点受力状态却是极复杂的，因此，具体焊点受力状态下的失效参数对预测点焊失效就具有较大的局限性。本发明由于采用材料延伸率作为判断点焊失效的阀值，它是材料的固有属性，与焊点的实际受力状态无关，因此，具有很强的适应性。通过焊点试验与仿真分析结果对比，能够获得不同厚度、不同材料、不同焊接工艺的焊点热影响区和焊核区的材料失效塑性应变参数，并积累形成数据库，从而可以提高点焊失效模拟的精度，是真正能够事先预测点焊失效的焊点模型。

第三，遵循了同一问题同一标准的原则。比如说焊点剪切试验主要是受剪切力失效，焊点十字拉伸试验主要是受拉伸载荷失效，那么，对目前焊点模拟的失效判断，两种试验失效标准是不一样的，即对同一个问题实行多层标准；本发明使用同一个失效判断标准实现了对焊点试验可能出现的不同点焊失效模式的预测。

第四，拓展了点焊失效模拟的功能。可以作为一类问题抓由于焊接工艺过程中产生的大量热引起的局部材料性质变化的焊接模拟的解决方案，比如熔化焊模拟，目前焊点模拟方法不具备方法上的普适性。

附图说明

附图是本发明的实施例。

附图1是三圈过渡网格的焊点有限元模型结构分区示意图。

附图2是附图1的侧视图。

附图3是一圈过渡网格的结构示意图。

附图4是二圈过渡网格的结构示意图。

附图5是焊点剪切试验模型尺寸。

附图6是附图5的仰视图。

附图7是焊点剪切试验仿真有限元模型。

附图8是附图7的仰视图。

附图9是焊点剪切试验模型尺寸示意图。

附图10是附图9所示有限元模型示意图。

附图11是焊点初始状态。

附图12焊点剪切试验仿真拉脱失效状态。

附图13焊点十字拉伸试验仿真拉脱失效状态。

附图14是本发明焊点模型与普通焊点模型对比示意图。

附图15是某商用车B柱安全带固定点结构失效处焊点布置图。

附图16是某商用车B柱安全带固定点强度仿真分析结构失效状态图。

附图17是本发明三圈过渡网格的第二种实施例。

附图18是附图17的侧视图。

附图19是本发明三圈过渡网格的第三种实施例。

附图20是附图19的侧视图。

附图21是本发明三圈过渡网格的第四种实施例。

附图22是附图21的侧视图。

附图23是本发明三圈过渡网格的第五种实施例。

附图24是附图23的侧视图。

附图25是焊点焊核失效模型(侧视图)。

附图26是焊点剪切试验仿真焊核失效状态。

附图27是焊点十字拉伸试验仿真焊核失效状态。

附图28是母材强度对剪切失效载荷的影响。

附图29是母材强度对抗拉失效载荷的影响。

附图30是母材厚度对剪切失效载荷的影响。

附图31是母材厚度对抗拉失效载荷的影响。

附图32是点焊失效塑性应变对剪切失效载荷的影响。

附图33是点焊失效塑性应变对抗拉失效载荷的影响。

附图34是焊点焊核减薄率对剪切失效载荷的影响。

附图35是焊点焊核减薄率对抗拉失效载荷的影响。

附图36是焊核直径对剪切失效载荷的影响。

附图37是焊核直径对剪切失效载荷的影响。

附图38是焊核失效塑性应变(焊核强度)对失效载荷的影响。

附图39是一圈过渡网格的节点布置示意图。

附图40是二圈过渡网格的节点布置示意图。

附图41是三圈过渡网格的节点布置示意图。

附图42是图23的侧视图。

具体实施方式

本发明的焊点模型具体构建方案是：根据焊点由于材料性质变化的不同而分为焊核区和热影响区两个区域的结构特点，使用体网格和壳网格分别建立了由焊核区和热影响区组成的焊点有限元模型，为焊点失效参数的设置提供了针对性的实施基础，该方法并对焊点模型网格的形成提出了具体的构建规则，该规则适合编程自动实现，其焊点模型建立具体步骤为：

第一步，确定焊核区网格的形状及大小：焊核区由一层或者多层网格组成，且每层由四个体网格组成，其俯视边界是四边形或者八边形之一种；焊核区直径根据焊核实际直径或焊接工艺平均直径确定；

第二步，确定焊点有限元模型边界位置、大小和边界节点数及准确位置：在确定焊核区网格之后，在焊核区上、下两个表面所在的平面内分别构建上、下两个四边形的焊点模型边界，并使上、下两个四边形几何中心分别与焊核区上、下两个表面几何中心偏离不超过6.0mm；焊点模型边界大小由焊接边宽度决定；焊点模型边界每条边上布置三个共八个节点，并使节点落在焊核区上、下面边界上的对边和对角节点的连线上；

第三步，确定热影响区网格：对确定的上、下两个四边形焊点模型边界上的节点和焊核区上、下表面边界上的节点，将同一平面对应边界上且相邻的四个节点，各自边界上取两个节点，依次连接形成四边形网格，从而由焊核区上、下表面边界到四边形的焊点模型边界范围内分别构成一圈过渡网格，并将其定义为焊点模型的上、下两个热影响区。

在第三步的基础上可形成两圈过渡网格：在焊核区上、下表面边界到焊点模型上、下边界范围内，在两边界上相邻两个节点连线之间设置一个节点，将临近的四个节点依次连接形成四边形网格，构成两圈过渡网格，如附图4所示，将与焊核区边界相连的一圈网格定义为焊点上、下两个热影响区，将热影响区外围的一圈网格定义为焊点上、下两个母材区；或者将两圈网格全部定义为热影响区。

在第三步的基础上可形成三圈过渡网格：在由焊核区上、下表面边界到焊点模型上、下边界范围内，在两边界上相邻两个节点连线之间设置两个节点，将临近的四个节点依次连接形成四边形网格，构成三圈过渡网格，如附图1所示，将与焊核区边界相连的一圈网格定义为焊点上、下两个热影响区，将热影响区外围的两圈网格定义为焊点上、下两个母材区，或者将两圈网格全部定义为热影响区。

附图3、附图4所示的一圈或两圈过渡网格主要用于碰撞分析，附图1所示的三圈过渡网格主要用于焊点模型研究分析及准静态问题。

本发明焊点模拟方法继承和综合了目前点焊失效模拟的研究趋势与成果，主要体现在三个方面：一是，使用体单元模拟焊点焊核；二是，焊点模型中单独考虑焊点热影响区材料性质变化；三是，使用失效塑性应变作为材料失效的判断标准。

本发明考虑了具体工程应用分析中小尺寸单元对时间步长的影响，提出了焊点网格的具体规则，适合编程自动实现，解决了焊点网格与结构网格匹配的问题，从而实现在实际工程分析中的大规模应用。

一、焊点模型定义

汽车车身钣金主要通过焊点焊接形成一个整体车身结构，其焊接边一般是12mm-20mm之间，在车身有限元建模中一般要求焊接边生成两排网格，要求的目的是：一方面，在焊接边中间生成单元节点，方便焊点接触节点搜索；另一方面，在显示算法中，最小单元决定时间步长，单元太小，计算代价会非常大，一般需要设置一个统一的时间步长，如果单元时间步长小于设定值，程序则通过增加单元质量以增加时间步长，从而引起整个模型质量的增加，如果小单元太多会严重影响到模型计算精度，因此，在有限元建模时需要严格控制最小单元尺寸，一般要求是4mm。对于整车碰撞分析本发明焊点失效模型必须要考虑到对单元最小尺寸的要求(目前焊点模拟一个显著优点是不需要考虑单元尺寸问题)，而对于准静态分析，如安全带固定点强度分析则可放松对单元最小尺寸的要求，焊点模型可以建的精细一些。同时，为方便本发明焊点失效模型的工程应用，需要在有限元建模时要求焊接边网格一一对应，即节点的连线垂直于焊接面。

1、焊核区定义

有限元模型中焊接边的距离是焊接母材厚度之和的一半，一般都会小于对单元最小尺寸的要求，因此，如果使用本发明焊点模型用于碰撞分析中，则焊核区采用一层体单元连接或采用刚性连接的处理方式，以减少对模型质量增加的影响。而对于准静态分析，则可使用两层或多层体单元模拟焊点焊核。

为了解决焊点网格与结构网格匹配的问题，每层由呈现对称状布置的四个体网格组成，其边界形成一个等边正八边形，如附图1所示焊核区，其直径取焊接工艺焊点平均直径6.5mm，在实际工程应用中应根据焊接工艺中焊核实际直径取值。同时，要求组成焊核的体网格在高度方向垂直于母材区和热影响区所在的平面，即焊核所连接的焊接面，并且焊核区上、下表面与母材区和热影响区在同一平面内，如附图2所示的焊点，假定其材料属性与母材一致(母材材料属性使用LS-DYNA软件中24号材料模型)。

2、热影响区定义

整个焊点模型区域上、下面为一个四边形，本实施例采用正方形，其边长等于焊接边宽度。正方形的焊点模型边界几何中心分别与焊核区上、下表面几何中心重合，正方形每条边(即两个单元的边界)上均匀布置三个(共八个)节点。在生成焊核区时使其上、下面每个圆周上的八个节点刚好分别落在正方形对边节点和对角节点的连线上，即沿焊核直径上。对八个节点对应的最近的正方形边界上的节点之间的距离分别进行划分，并布置节点。

对本发明焊点失效模型，从焊核区边界到焊点模型边界，根据网格尺寸的要求，有三种节点布置形式，如果采用一圈过渡网格则进行一等分，之间无需布置节点；如果采用两圈过渡网格则进行两等分，并在等分点上布置节点；如果采用三圈过渡网格则减去热影响区实际宽度后进行两等分，热影响区沿焊点直径方向上的实际宽度一般取1.5mm？.0mm，并在相应位置布置节点。节点如附图39、附图40、附图41所示，黑点代表节点，布置完节点后，则将相邻的四个节点均按顺时针方向或逆时针方向生成四边形壳网格，以附图41中八分之一网格生成为例，依次分别连接四个节点1-2-6-5、2-3-7-6及3-4-8-7生成焊点四边形网格。

结构焊接边宽度决定了焊点模型的边界大小，同时，根据具体分析中对单元大小的不同要求，对本发明焊点失效模型，从焊核区边界到焊点模型边界，可采用和上面节点布置相对应的三种网格过渡方式中的一种定义焊点母材区与热影响区。方式一，一圈网格过渡，一般用于焊接边宽度较小，在焊点模型中没有母材区，热影响区节点直接与焊接结构单元节点相连，如附图3所示；方式二，两圈网格过渡，一般用于焊接边尺寸中等，与焊核相连的为热影响区，另一圈为母材区，如附图4所示，或者不定义母材区，将两圈网格全部定义为热影响区；方式三，三圈网格过渡，一般用于焊接边尺寸较宽，与焊核相连的为热影响区，剩下两圈为母材区，如附图1所示，或者不定义母材区，将三圈网格全部定义为热影响区。

根据文献关于焊点微观结构描述，焊核区被热影响区包裹，焊点失效模型对其处理有两种选择：一是，不予处理，如采用前面第一次定义的热影响区，对分析结果影响不大；二是，将焊点焊核区上、下表面覆盖的一层壳网格，本发明示例为反映实际焊点结构采用后者。对焊核区覆盖壳单元的处理有效果上相同的两种方式：一是，不考虑其材料性质的变化，将其归入母材区；二是，将其与前面第一次定义的热影响区一起定义为焊点上、下两个热影响区，本发明示例采用后者。

焊点热影响区材料厚度、材料类型与其焊接母材一致，但对热影响区和焊核区材料单独选取材料属性并设置材料失效塑性应变，默认值为材料延伸率，以此等效热影响区和焊核区材料性质的变化，并可通过设置材料参数C、P值(C、P为LS-DYNA中24号材料模型的应变率参数)考虑焊点热影响区材料的应变率效应。

3、母材区定义

按前面所定义：根据不同的过渡网格将剩下零圈、一圈或两圈网格为焊点上、下母材区，或者不定义母材区。定义母材区则其最外边界由两个网格边组成，从而与上、下焊接边要求的两排网格对应，上、下母材区材料类型、厚度分别与焊接边所属零件一致，完成焊点网格尺寸到基本网格尺寸的过渡；不定义母材区，与前者相比区别只是将过渡网格归入到热影响区，没有实质的变化，本发明示例采用定义母材区。

二、焊点拉脱失效模拟有限元模型方案

本发明焊点拉脱失效模拟完全从实际工程应用的角度出发，将焊点上、下热影响区和焊核区各自作为一个整体区域考虑，采用失效塑性应变，即使材料失效时的有效塑性应变极值或材料延伸率，作为判断焊点热影响区和焊核区材料失效的标准，当材料塑性应变达到该值时，单元被计算程序从模型中自动删除，进而达到等效点焊失效的目的，能比目前点焊失效模型更真实、更准确的模拟点焊失效。

在本实施例中，采用三圈过渡的焊点有限元模型，如附图1所示，其具有以下特点：焊核区由两层体网格组成，每层呈现对称状布置的四个体网格，在高度方向垂直于热影响区所在的平面；其俯视边界是等边正八边形；四边形的焊点模型边界几何中心分别与焊核区上、下表面几何中心重合；焊点模型边界为正方形。内圈为热影响区沿焊点直径方向上的宽度一般取1.5mm-2.0mm，剩下两圈为母材区，节点布置为等分设置一个节点。

三、焊点拉脱失效试验仿真结果分析

本实施例使用计算软件LS-DYNA970进行分析。

在假定焊接工艺理想的情况下，使用延伸率为0.4的材料B170P1、焊接母材厚度分别为1.8mm和2.3mm，采用三圈网格过渡的焊点模型，对典型的点焊失效试验-剪切试验与十字拉伸试验进行了仿真分析，如附图(5、6、7、8)所示计算模型，成功的模拟了两种焊点试验的失效状态，附图11为焊点初始状态，附图12与附图13分别为焊点剪切试验仿真与十字拉伸试验仿真焊点拉脱失效网格变形情况。

表1为该模型剪切试验结果与仿真分析结果的失效载荷与失效模式对比，从数值看失效载荷有较大误差，说明焊点拉脱失效模型存在没有考虑的实际焊点结构中可提高点焊失效载荷的因素。通过对焊点剪切试验受力分析和焊点微观结构分析认为产生该误差有两种可能：一是，焊点热影响区上、下焊接钣金之间的存在粘接力，焊点拉脱失效模型中没有予以考虑；二是，工艺上肉眼看到的焊点直径与焊点物理结构上的焊核直径不一致，前者要小于后者。不论哪种因素为主或者两种因素影响均较大，仿真结果表明都可以通过增加焊点模型焊核直径消除失效载荷误差。

表1剪切试验结果与仿真结果对比

四、焊点拉脱失效模型特点

焊点拉脱失效模型的一个重要特点是：将失效塑性应变作为判断材料失效的关键参数以等效焊点热影响区材料性质变化引起的点焊失效，该特点主要体现在以下三个方面：

第一，研究思路的区别。目前普遍思路是：点焊模拟焊核自然是直接研究对象，将焊核载荷信息作为判断点焊失效的参数，必然要求建立一个描述点焊失效的数学模型，因此，在点焊模拟的思想层面或者说方法论层面上，点焊模拟研究思路一致被该逻辑所绑架。本发明思路则是：在直接以焊核为研究对象，已经被证明遇到了许多实际应用上的不足，要克服点焊模拟方法中的不足，可以考虑换一种思路进行，将焊核作为间接研究对象，而将与焊核周围相关的结构、材料作为直接研究对象，同样可以获得点焊失效模拟解决方案的可能性。

第二，失效模式的区别。由于以焊核为直接研究对象，因此，目前绝大部分焊点模拟方法是将两种常见的点焊失效模式统一到焊核失效一种模式当中，也就是说目前焊点模拟方法不能真实的模拟焊点拉脱失效。而实际情况中，焊点拉脱失效才是点焊失效的普遍模式，因此，焊点拉脱失效模型则刚好相反，是将两种常见的点焊失效模式统一到焊点拉脱失效一种模式当中。

第三，失效标准的区别。在大部分焊点数学模型当中，应力是与点焊失效标准紧密相关的参数。当焊点材料进入塑性阶段后，根据材料应力-应变曲线，应力变化范围明显降低，超过强度极限后应力开始下降，因此，此时以应力作为焊点数学模型的关键参数是不合适的，相反，应变的变化非常大，点焊失效从材料微观层面表现为材料剪切与拉伸颈缩，而材料失效直接与材料固有参数-延伸率相关。因此，对于点焊失效判断标准，本发明点焊模拟研究将应变作为判断点焊失效的关键参数，是基于以下判断：焊点热影响区材料硬度的显著增加导致材料脆性增加，使得材料延伸率相比母材下降，加上焊点应力集中较易发生材料脆性撕裂。用失效塑性应变判断材料撕裂的方法已经被许多工程案例证明是非常有效且准确的，此外，仿真分析表明，一个普通失效焊点吸能大概是6J-12J之间，焊点材料进入塑性阶段后，主要是靠应变的增加吸能，因此，从能量吸收的角度将应变作为点焊失效判断的关键参数是比较合适的。本发明方法可以通过调试失效塑性应变来控制焊点的失效载荷，进而反映焊接工艺对点焊失效载荷及失效模式的影响。

五、点焊失效有限元模型使用方法

本发明焊点失效模型的使用涉及两个方面：一是模块化焊点替换；二是失效塑性应变参数设定。

本发明描叙的焊点拉脱失效模型，实际上是一个焊点模块，在具体工程分析中可直接使用本发明描述的各种焊点模块代替目前焊点模拟，以两圈网格过渡的焊点模型替代碰撞分析中梁单元焊点为例：如果是两层焊点，删去焊接边焊点所在区域的四个壳单元，将模块化的焊点模型置于焊点所在位置，将焊点模块边界单元节点与焊接边结构单元节点重合即可，如附图14所示。

在实际工程应用中，点焊失效准确预测的关键是失效塑性应变参数的设定，默认的失效塑性应变是母料延伸率，对低强度材料不会产生较大误差，能够满足工程分析的要求，但对高强度材料会引起较大误差，因此，准确预测焊点的失效需要建立不同焊点的失效塑性应变数据库，不同点焊失效时失效塑性应变的确定可通过焊点试验与本发明点焊失效仿真对比分析确定，即焊点试验确定失效载荷，点焊失效仿真将失效塑性应变调到焊点试验的失效载荷。

对于本发明中的以三圈过渡网格的焊点模型示例，还有如下几个实施例：

1、如附图17和附图18所示，在焊点拉脱失效模型基础上保持焊核对角点直径不变，仅将焊核区用四边形代替原焊点模型中的八边形。

2、如附图19和附图20所示，在焊点拉脱失效模型基础上将焊核区边界用等边六边形代替原焊点模型中的等边八边形，每层使用两个体单元，并保持焊核直径不变。

3、如附图21和附图22所示，在焊点拉脱失效模型基础上将焊核区六面体体网格用五面体体网格来代替，并保持焊核直径不变。

4、如附图23和附图24所示，是采用刚性连接或梁单元(即将焊核区域上、下单元对应的节点刚性连接)或目前梁单元焊点或弹簧单元焊点代替焊核区体单元连接；不考虑覆盖在焊核区表面的热影响区材料的失效。本方案的实施例一定程度上减少了焊点的吸能程度，但大大减少了模型计算代价，且对点焊失效载荷影响较小，因此，该替代方案更加具有实际工程应用价值。

本发明同样可用于三层焊点或四层焊点的模拟，处理方式与两层焊点模型的处理完全一致。

六、焊点拉脱失效模型的工程应用案例

利用本发明焊点拉脱失效模型，对某商用车B柱安全带固定点在GB14167试验仿真分析，精确的模拟了其强度失效问题。这个案例的特点是左右B柱结构完全对称，只有一个焊点的区别，多一个焊点的右边B柱安全带安装点发生了严重的强度失效点焊失效、材料撕裂，少一个焊点的左边B柱安全带安装点安然无恙，仿真模型分析的结果与试验结果高度吻合，并通过仿真分析准确的解释了四个白车身试验现象的各个细节。

1、案例实验现象描叙

对该商用车四个不同座椅安装方式的白车身做了试验，其B柱结构如附图15中1、2、3、5、6为焊点，4为产生的材料撕裂带，试验现象总结了三点：试验现象一：左边与右边对比：1、2、3号白车身右边B柱安装点失效，而左边B柱安装点没有一个失效；试验现象二：右边与右边对比：1、2、3号白车身右边B柱安装点失效；4号白车身右边B柱安装点没有失效；试验现象三：焊点对比：1、2、3、4号白车身B柱焊点1、焊点2失效；4号白车身右边B柱焊点3部分失效。

2、案例CAE结果分析

仿真分析变形结果如附图16所示，通过CAE分析发现结构的失效顺序是：第一步：焊点1、焊点2首先失效；第二步：紧接着焊点3失效；第三步：焊点3失效导致钣金产生缺口产生撕裂带4；第四步：钣金撕裂到一定程度，焊点5和焊点6失效。仿真分析的失效顺序与试验现象第三点吻合，因此，试验结果验证了CAE分析失效顺序的正确性。

通过CAE分析发现焊点3是一个关键焊点，没有焊点3的失效就没有后面焊点和材料的失效，因此，焊点3直接决定了分析结果的差别，从而与试验现象吻合。分析认为焊点3能造成左、右差别的主要原因是以下两个：第一：焊点3区域是一个变形较大的区域，结构受力状态较恶劣，应力集中严重，焊点较容易失效；第二：焊点改变了母材原有的性能，增加了材料的脆性，大大降低了母材的延伸率，即抵抗变形的能力；因此，对于该B柱结构安全带安装点强度实验，以上两个原因决定了不宜在焊点3区域增加焊点，因而，解释了试验现象一，建议取消焊点3，在后续验证试验中证明了该方案的正确性。

通过CAE分析进一步发现，焊点3热影响区的临界失效塑性应变是0.17，只要焊点焊接工艺的影响使得热影响区材料失效塑性应变大于0.17，焊点3周围钣金就不会撕裂。根据CAE分析结果可以推论：焊接工艺使得1、2、3号白车身右边焊点3热影响区失效塑性应变小于0.17，因而，失效了；而4号白车身右边焊点3热影响区大于0.17，就没有失效，因而，产生了试验现象二的差别。同时，实验结果的差别反过来说明了CAE分析的可信度，而这种可信度完全来自点焊失效的成功模拟。

七、本发明焊点焊核失效模型技术方案

前面论述的焊点拉脱失效模型，由于假定焊核材料属性与母材一致，因此，只能模拟焊点拉脱失效，实际上焊核区由于受焊接工艺热影响材料性质和热影响区一样发生了变化，且材料强度要高于母材强度。焊点焊核失效模型是对焊点拉脱失效模型的补充。

1、焊核失效模拟有限元模型方案

为了反映焊核区材料强度的增加，一方面，可在焊点模型中提高焊核区材料等级；另一方面，增加焊核区材料失效塑性应变，即材料延伸率。焊点焊核失效模型中采用后者，本发明示例仅在焊点拉脱失效模型的基础上对焊核区增加一层中间体单元并单独对其材料属性设置失效塑性应变(如果焊核区采用一层或两层体单元则对整个焊核区域设置材料失效塑性应变参数)。焊点焊核失效模型如附图25所示，具体工程分析中失效塑性应变的设定需要由仿真分析根据试验结果对比获得基础数据。焊点焊核失效模型同样存在与焊点拉脱失效模型同样的技术替代方案。

2、焊核失效结果分析

根据焊点焊核失效模型，对材料DP600(根据相关资料，DP600延伸率可取0.21，考虑高强度材料对焊接工艺较敏感，焊点模型热影响区取其材料失效塑性应变为0.18)、母材厚度均为1.5mm、焊核直径为7.0mm的焊点模型进行了仿真分析。附图26和附图27为模拟的焊点焊核失效状态。

对表2试验数据与仿真数据的分析研究可以发现：对于焊点十字拉伸试验，焊核失效塑性应变大于0.0098时，焊点为拉脱失效，小于或等于0.0098时，焊点为焊核失效，而焊核材料延伸率小于或等于0.0098与实际情况明显不符，因此，焊点十字拉伸试验不会出现焊核失效的情况。对于焊点剪切试验，两种失效情况均有可能发生，取决于焊核材料与母材的强度之比，但发生焊点拉脱失效的可能性较大。焊核失效塑性应变在大于或等于0.385时，焊点为拉脱失效，在小于0.385时，焊点为焊核失效。

表2焊核失效塑性应变对点焊失效载荷与失效模式的影响

该分析结果说明，增加焊核失效塑性应变不会影响焊点十字拉伸试验仿真的失效载荷与失效模式；对于焊点剪切试验仿真，只有当焊核失效塑性应变增加到某个临界值时，才会对点焊失效模式产生影响，而对失效载荷几乎没有影响，因此，可以通过调试焊核失效塑性应变以等效焊接工艺及高强度焊接材料中可能会出现的不同点焊失效模式的现象。

3、焊核失效模拟结论分析

以上焊点剪切与十字拉伸试验仿真分析结果：一方面，解释了实际点焊失效现象中，焊点拉脱失效要远多于焊核失效的现象；另一方面，从失效载荷与失效模式对比数据中可以进一步得出结论：对于同一焊点同一试验仿真，出现不同焊点失效模式对应的焊点失效载荷几乎没有差别，证明了对不同焊点失效模式的模拟可以统一到一种失效模式当中的假定是合理的。同时，如果以焊核与母材的失效塑性应变之比等效两者材料强度之比，则该焊点焊核材料强度是母材强度的2.14倍。

4、拉脱失效模型与焊核失效模型对比

从技术模拟的角度，焊点焊核失效模型解决了在同一个焊点模型中预测两种点焊失效模式的难题，但也增加了焊点模型的处理难度及焊核失效塑性应变的获取问题；从工程应用的角度，焊点拉脱失效模型具有足够的精度预测点焊失效，较焊点焊核失效模型更易处理。

八、本发明焊点失效模型仿真研究

利用本发明焊点失效模型进行了大量的仿真分析研究，表明了分析结果与点焊失效现象十分吻合-相同焊接材料，薄的母材撕裂，相同焊接厚度，强度低的母材撕裂；验证了试验研究分析结果-焊点抗剪切能且力远大于焊点抗拉伸能力，仿真分析表明焊点十字拉伸失效载荷一般是剪切失效载荷的50％-80％，且随着焊接材料强度的增加差别不断增大。

以下是对影响点焊失效载荷的潜在因素-母材强度、母材厚度、热影响区材料性质变化、焊核厚度、焊核直径、焊核失效塑性应变六个方面进行的系统研究，结果表明：本发明焊点失效模型能够清晰的评价提高焊点抗失效能力的各种措施的效果，以指导工程实践中采用可行且最有效的解决方案。

1、母材强度

使用焊接母材厚度分别为1.5mm和1.2mm的焊点模型对几种不同强度等级的汽车用钢材进行了焊点剪切试验与十字拉伸试验仿真分析，并考虑了不同焊接工艺下的热影响区材料失效塑性应变对失效载荷的影响。结果如附图28、附图29，附图28说明：剪切失效载荷对材料强度很敏感，与材料强度呈线性关系，但对失效塑性应变不敏感；附图29说明：抗拉失效载荷对屈服强度低于390MPa较敏感，高于此值，抗拉失效载荷基本保持不变，同时，抗拉失效载荷对失效塑性应变很敏感，因此，保持焊接工艺的可靠性、一致性十分重要。

2、母材厚度

使用母材为B170P1、对母材不同厚度的焊点模型进行了焊点剪切试验与十字拉伸试验仿真分析，并考虑了不同焊接工艺下的热影响区材料失效塑性应变对失效载荷的影响。结果如附图30、附图31。附图30说明：剪切失效载荷对焊接厚度很敏感，随着厚度的增加，敏感度会降低，但对失效塑性应变不敏感；附图31说明：抗拉失效载荷对焊接厚度比较敏感其大小取决与最小厚度，单独增加较厚钣金对增加抗拉失效载荷没有多大意义，抗拉失效载荷对失效塑性应变较敏感，因此，保持焊接工艺的一致性十分重要。

3、热影响区失效塑性应变

使用焊接母材厚度分别为1.5mm和1.2mm的焊点模型对三种不同强度等级的汽车用钢材进行了焊点剪切试验与十字拉伸试验仿真分析，分析了不同焊接工艺的热影响区材料失效塑性应变对失效载荷的影响。结果如附图32、附图33。附图32说明：高强度材料剪切失效载荷对失效塑性应变极为敏感，低强度材料剪切失效载荷对失效塑性应变不是很敏感，高强度材料剪切失效载荷明显高于低强度材料；附图33说明：高强度材料抗拉失效载荷对失效塑性应变很敏感；低强度材料抗拉失效载荷对失效塑性应变较为敏感，高强度材料抗拉失效载荷明显高于低强度材料，因此，提高材料强度能有效提高焊点抗失效能力，但同时对焊接工艺提出更高的要求，否则将适得其反。

4、焊核厚度

使用焊接母材厚度均为1.5mm的焊点模型对三种不同强度等级的汽车用钢材进行了焊点剪切试验与十字拉伸试验仿真分析，分析了不同焊核厚度对失效载荷的影响。结果如附图34、附图35。附图34说明：剪切失效载荷对焊核厚度不敏感，随着焊核厚度的减薄，剪切失效载荷几乎保持不变；附图35说明：抗拉失效载荷对焊核厚度不敏感，随着焊核厚度的减薄，剪切失效载荷变化很小，因此，可以不考虑焊核厚度对焊点抗失效能力的影响。

5、焊核直径

使用焊接母材厚度分别为1.8mm和2.3mm、材料为B170P1的焊点模型对不同直径的焊核进行了焊点剪切试验与十字拉伸试验仿真分析，并考虑了不同焊接工艺的热影响区材料失效塑性应变对失效载荷的影响。结果如附图36、附图37。附图36说明：剪切失效载荷对焊核直径较敏感，随着焊核直径的增加，剪切失效载荷呈线性增加；附图37说明：抗拉失效载荷对焊核直径较敏感，随着焊核直径的增加，抗拉失效载荷呈线性增加，因此，提高焊核直径能有效提高焊点抗失效能力。

6、焊核区失效塑性应变

使用焊接母材厚度均为1.5mm、材料为DP600，热影响区失效塑性应变为0.18的焊点模型对不同焊核失效塑性应变进行了焊点剪切试验与十字拉伸试验仿真分析。结果如附图38，说明：失效载荷对焊核失效塑性应变不敏感，具体见焊点焊核失效模型中的分析。

在附图的引出线标示中，1是母材区、2是焊核区、3是热影响区、4是上焊接钣金、5是焊点、6是下焊接钣金、7是梁单元焊点、8是焊接零件一、9是焊接零件二、10是焊核中间层失效区、11是八个或者九个刚性单元或梁单元连接、12是一个梁单元或者弹簧单元连接。

Claims (10)

1.、一种点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征是使用体网格和壳网格分别建立了由焊核区和热影响区组成的焊点有限元模型，其建立的具体步骤为：

(1)、焊核区由一层或者多层网格组成，且每层由四个体网格组成，其俯视边界是四边形或者八边形之一种；焊核区直径根据焊核实际直径或焊接工艺平均直径确定；

(2)、在确定焊核区网格之后，在焊核区上、下两个表面所在的平面内分别构建上、下两个四边形的焊点模型边界，并使上、下两个四边形几何中心分别与焊核区上、下两个表面几何中心偏离不超过6.0mm；焊点模型边界大小由焊接边宽度决定；焊点模型边界每条边上布置三个共八个节点，并使节点落在焊核区上、下面边界上的对边和对角节点的连线上；

(3)、对确定的上、下两个四边形焊点模型边界上的节点和焊核区上、下表面边界上的节点，将同一平面对应边界上且相邻的四个节点，各自边界上取两个节点，依次连接形成四边形网格，从而由焊核区上、下表面边界到四边形的焊点模型边界范围内分别构成一圈过渡网格，并将其定义为焊点模型的上、下两个热影响区。

2.根据权利要求1所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于焊核区每层网格，由呈现对称状布置的四个体网格组成，且其俯视边界是等边正四边形或者等边正八边形之一种，并使四边形几何中心分别与焊核区上、下表面几何中心重合，焊点模型边界为正方形。

3.根据权利要求1所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于组成焊核区的体网格在高度方向垂直其上、下表面所在平面。

4.根据权利要求1所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于在所述的由焊核区上、下表面边界到焊点模型上、下边界范围内，在两边界上相邻两个节点连线之间设置一个节点，将临近的四个节点依次连接形成四边形网格，构成两圈过渡网格，将与焊核区边界相连的一圈网格定义为焊点上、下两个热影响区，将热影响区外围的一圈网格定义为焊点上、下两个母材区。

5.根据权利要求1所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于在所述的由焊核区上、下表面边界到焊点模型上、下边界范围内，在两边界上相邻两个节点连线之间设置两个节点，将临近的四个节点依次连接形成四边形网格，构成三圈过渡网格，将与焊核区边界相连的一圈网格定义为焊点上、下两个热影响区，将热影响区外围的两圈网格定义为焊点上、下两个母材区。

6.根据权利要求4或5所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于在两边界相邻两个节点连线上，节点为等分设置。

7.根据权利要求6所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于对属于热影响区网格外圈节点，按照焊点热影响区的实际宽度布置节点位置。

8.根据权利要求7所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于对属于母材区网格边界在沿焊核直径方向上，在相邻两个节点连线之间等分设置一个节点。

9.根据权利要求7所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于对焊核区上、下表面以节点重合的方式覆盖一层壳网格，将其与焊核区相连的第一圈网格一起定义为上、下两个热影响区。

10.根据权利要求9所述的点焊连接及其失效的数值模拟方法，其特征在于对焊核区上、下边界上或焊核区上、下边界上和中心对应的节点采用刚性连接，或者采用目前梁单元焊点或弹簧单元焊点连接。

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