CN111141604A - 电阻点焊接头力学性能的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种电阻点焊接头力学性能的预测方法,包括:剖开电阻点焊接头;对电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别进行仪器化压入实验,将仪器化压入实验过程中生成的载荷‑位移曲线转换为应力‑应变曲线;建立电阻点焊接头的有限元模型;为有限元模型耦合损伤模型;基于电阻点焊接头的剖开面中的各区域的应力‑应变曲线,采用耦合有损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程,得到电阻点焊接头中各区域的力学性能指标。本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法能实现电阻点焊接头力学性能的准确预测。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域,尤其涉及一种电阻点焊接头力学性能的预测方法。
背景技术
电阻点焊技术因具有高效率、低成本、高自动化程度等优点,已成为航空航天、汽车制造、轨道交通等领域应用最广泛的焊接方法之一。电阻点焊涉及电场、传热、力学和冶金的耦合过程,在此过程中点焊接头材料的力学性能要发生变化,不同熔核尺寸和微区力学性能对点焊接头整体力学性能有较大影响,因此需要对每种工艺条件下的电阻点焊接头进行硬度、拉伸-剪切、剥离、凿剥离和疲劳等力学性能测试。
目前国内外技术人员对电阻点焊接头力学性能的研究主要采用实验测试的方法,然而电阻点焊接头需要进行的力学性能实验具有种类多、实验周期长的特点,导致测试成本高。
现有技术中也有采用数值模拟来测试电阻点焊接头力学性能的方法。但这些方法多采用性能均匀的接头整体模型,并且在模型中没有全面考虑接头的损伤机制,造成模拟结果与实验结果有一定差距,实用性较差。
发明内容
本发明实施例提供一种电阻点焊接头力学性能的预测方法,用以解决现有技术中电阻点焊接头力学性能的数值模拟结果与实验结果有一定差距、实用性较差的缺陷,实现对电阻点焊接头力学性能的准确预测。
本发明实施例提供一种电阻点焊接头力学性能的预测方法,包括:
剖开电阻点焊接头;
对所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别进行仪器化压入实验,将所述仪器化压入实验过程中生成的载荷-位移曲线转换为应力-应变曲线;
建立电阻点焊接头的有限元模型;
为所述有限元模型耦合损伤模型;
基于所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域的应力-应变曲线,采用耦合有损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程,得到电阻点焊接头中各区域的力学性能指标。
上述技术方案中,在剖开电阻点焊接头之后,所述方法还包括:
对所述电阻点焊接头的剖开面进行研磨、抛光和腐蚀。
上述技术方案中,所述电阻点焊接头的剖开面中的区域包括:熔核区、熔合线界面区、母材区;或包括:熔核区、熔合线界面区、靠近熔合线界面区的母材区、远离熔合线界面区的母材区;其中,
所述熔合线界面区是熔核与母材交界的区域。
上述技术方案中,所述对所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别进行仪器化压入实验包括:
在所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别选取一个测试点;
在各个测试点上分别进行压入实验,得到各个测试点对应的载荷-位移曲线。
上述技术方案中,所述建立电阻点焊接头的有限元模型包括:
为所述电阻点焊接头的剖开面构建几何模型;所述几何模型包括有熔核区的形状、尺寸,母材区的形状、尺寸,熔合线界面区的形状、尺寸;
为所述几何模型划分网格,施加约束;其中,在划分网格时,熔核与母材界面处的网格节点完全重合;
为所述几何模型中的各个网格赋予材料属性。
上述技术方案中,所述划分网格采用八节点线性六面体缩减积分单元实现,平均网格边长在0.5mm-1mm之间。
上述技术方案中,所述为所述几何模型划分网格还包括:
对熔合线界面区的网格做细化,使得所述熔合线界面区网格的边长小于电阻点焊接头中除所述熔合线界面区以外的其它区域的网格边长。
上述技术方案中,所述熔合线界面区的网格的最小边长在0.1mm-0.05mm之间。
上述技术方案中,所述损伤模型包括:
母材损伤模型、熔核损伤模型和熔合线界面损伤模型。
上述技术方案中,所述采用耦合损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程包括:
按照实际力学性能测试的测试参数确定模拟力学性能测试实验过程中的测试参数;
采用耦合损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程,其中,力学性能测试中采用所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域的应力-应变曲线。
本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法综合考虑母材损伤、熔核损伤、熔合线界面损伤和熔核形状对电阻点焊接头力学性能的影响,建立了较为完善的电阻点焊力学性能有限元模型,实现电阻点焊接头力学性能的准确预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法的流程图;
图2为本发明实施例中包含有熔核的电阻点焊接头剖开面的金相图;
图3为本发明另一实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法的流程图;
图4为本发明一个实施例中对电阻点焊接头做仪器化压入实验所得到的应力-应变曲线的示意图;
图5为本发明一个实施例中为电阻点焊接头所构建的几何模型的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法的流程图,如图1所示,本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法包括:
步骤101、剖开电阻点焊接头。
在本发明实施例中,作为一种优选实现方式,在剖开电阻点焊接头时应从电阻点焊接头内部的熔核中心沿截面剖开。在其他实施例中,相较熔核中心有一定程度的偏离,如相隔0.5mm,也在误差允许的范围内。图2为本发明实施例中包含有熔核的电阻点焊接头剖开面的金相图。
电阻点焊接头内包含有熔核区、熔合线界面区和母材区三部分;其中的熔合线界面区是熔核与母材交界的区域。相应的,剖开电阻点焊接头所得到的剖开面是一个包含熔核区、熔合线界面区和母材区的二维图形。
步骤102、在电阻点焊接头的剖开面进行仪器化压入实验,将仪器化压入实验过程中所生成的载荷-位移曲线转换为应力-应变曲线。
在电阻点焊接头内部,不同区域的材料组织可能会有变化,因此需要对电阻点焊接头内部不同区域的力学性能进行检测。要对不同区域的力学性能进行检测,首先要在电阻点焊接头内部的不同区域各自选取仪器化压入实验测试点,如在熔核区选取一个测试点,在熔合线界面区选取一个测试点,母材区选取一个测试点。在本发明的一个优选实施例中,考虑到靠近熔合线界面区的母材区与远离熔合线界面区的母材区在力学性能上会有较大差异,因此可在母材区设置两个测试点,其中一个测试点在靠近熔合线界面区的母材区,另一个测试点在远离熔合线界面区的母材区。
在为仪器化压入实验选定测试点后,在各个测试点上分别进行压入实验,各个测试点能生成各自的载荷-位移曲线。采用代表应变法可将各个测试点的载荷-位移曲线转化为测试点所对应区域的材料的应力-应变曲线。如何采用代表应变法将载荷-位移曲线转化为应力-应变曲线为本领域技术人员所公知,不在此处对这一转化过程做详细描述。将载荷-位移曲线转化为应力-应变曲线的方法并不局限于本发明实施例中所涉及的代表应变法,在本发明的其他实施例中,也可采用模型求解法、数值优化法等方法。
本步骤中所述仪器化压入实验的压头尺寸可根据所要检测材料的区域尺度进行选取,如在一个本发明实施例中,仪器化压入实验为毫米压入实验,所采用的球形压头的直径为0.5mm,在本发明的其他实施例中,还可以是纳米压入实验、微米压入实验。
步骤103、建立电阻点焊接头的有限元模型。
在本发明实施例中,为电阻点焊接头建立有限元模型时,首先为电阻点焊接头的剖开面构建几何模型。前文提到,电阻点焊接头的剖开面是一个包含熔核区、熔合线界面区和母材区的二维图形,因此为电阻点焊接头剖开面所构建的二维几何模型中包含有熔核区的形状、尺寸,母材区的形状、尺寸,熔合线界面区的形状、尺寸等信息。
接着为所构建的几何模型划分网格并施加约束。在划分网格时应保证熔核与母材界面处的网格节点完全重合。在本发明实施例中,划分网格时可使用八节点线性六面体缩减积分单元划分网格,平均网格边长为0.5-1mm。作为一种优选实现方式,由于熔合线界面区性能不均匀性明显,因此需要对熔合线界面区的网格做进一步细化,如最小网格边长为0.1-0.05mm。对几何模型施加约束是为了保证模型不在计算过程中发生转动或平移。
在为几何模型划分网格后,根据这些网格所对应区域的材料种类为这些网格赋予材料属性。所述材料属性包括弹性模量、泊松比、密度、强度等。
步骤104、为所建立的有限元模型耦合损伤模型。
电阻点焊过程中所造成的损伤行为一般发生在母材、熔核、熔合线界面三种位置,因此需要为有限元模型耦合母材损伤、熔核损伤和熔合线界面损伤三种损伤模型。在本发明实施例中,可在有限元模型中嵌入GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型,界面损伤(Cohesive Behavior)模型,以分别模拟母材损伤、熔核损伤和熔合线界面损伤行为。如何在有限元模型中嵌入损伤模型是本领域技术人员的公知常识,因此不在此处重复。
步骤105、利用有限元模型模拟力学性能测试实验过程,得到电阻点焊接头各区域的力学性能指标。
力学性能测试有多种类型,如拉伸剪切测试、剥离测试、凿剥离测试、疲劳测试,采用之前得到的有限元模型可实现对其中任意一种力学性能测试的模拟。
在对力学性能测试进行有限元模拟时,所采用的测试参数需要按照实际力学性能测试的测试参数确定,如拉伸剪切测试中的拉伸速率,剥离或凿剥离测试中的工具形状和打击速度,疲劳测试中的频率、应力比和应力幅等。
在对力学性能测试进行有限元模拟时,点焊接头中各个区域的应力-应变关系应参照步骤102所获得的应力-应变曲线,而不是采用原始母材自身的应力-应变关系。
由于电阻点焊接头内部不同的区域有各自独立的应力-应变曲线,因此通过有限元模拟可得到电阻点焊接头内部不同区域的力学性能指标。在步骤102的实现中,若熔核区、熔合线界面区、母材区各自选取一个测试点,则在本步骤中可分别得到熔核区、熔合线界面区、母材区的力学性能指标。在步骤102的实现中,若熔核区、熔合线界面区、靠近熔合线界面区的母材区、远离熔合线界面区的母材区各自选取一个测试点,则在本步骤中可分别得到熔核区、熔合线界面区、靠近熔合线界面区的母材区、远离熔合线界面区的母材区的力学性能指标。
本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法综合考虑母材损伤、熔核损伤、熔合线界面损伤和熔核形状对电阻点焊接头力学性能的影响,建立了较为完善的电阻点焊力学性能有限元模型,实现电阻点焊接头力学性能的准确预测。
基于上述任一实施例,图3为本发明另一实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法的流程图,如图3所示,本发明另一实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法包括:
步骤301、剖开电阻点焊接头;
步骤302、对电阻点焊接头剖开面进行研磨、抛光和腐蚀;
在本步骤中,通过对剖开面的研磨、抛光和腐蚀有助于观察不同区域的边界,降低仪器压入实验所获得的载荷-位移曲线的误差,有利于提高最终所实现的力学性能预测的准确性。
步骤303、在电阻点焊接头的剖开面进行仪器化压入实验,将仪器化压入实验过程中所生成的载荷-位移曲线转换为应力-应变曲线;
步骤304、建立电阻点焊过程的有限元模型;
步骤305、为所建立的有限元模型耦合损伤模型;
步骤306、利用有限元模型模拟力学性能测试实验过程,得到电阻点焊接头各区域的力学性能指标。
本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法通过对剖开面的研磨、抛光和腐蚀,有助于观察不同区域的边界,降低仪器压入实验所获得的载荷-位移曲线的误差,有利于提高最终所实现的力学性能预测的准确性。
在本发明的又一个实施例中,以6+4mm组合的5083-H112铝合金电阻点焊接头为实施对象,采用本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法在ABAQUS有限元软件中模拟了电阻点焊接头拉伸剪切力学性能测试过程。
S1、用线切割方法将电阻点焊接头从中心剖开,进行研磨、抛光和腐蚀。采用直径0.5mm的球形压头对对母材和熔核进行压入实验,压入实验中测试点的位置可如图2所示,获得载荷-位移曲线,用代表应变法将各个压入点的载荷-位移曲线转化为材料的应力-应变曲线,所得到的应力-应变曲线如图4所示。
S2、构建包含熔核形状的电阻点焊接头的几何模型,所构建的几何模型如图5所示。然后对该几何模型进行网格划分。在网格划分时,使用八节点线性六面体缩减积分单元(C3D8R)划分网格,模型网格数约60000个,平均网格边长为0.6mm,在熔合线界面处进行网格细化,最小网格边长为0.05mm。对电阻点焊接头中的熔核和母材分别赋予对应的材料属性,其中弹性模量70GPa、泊松比0.33、密度2850kg/m3。
S3、在有限元模型中嵌入GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)损伤模型,界面损伤(Cohesive Behavior)模型,以分别模拟母材损伤、熔核损伤和熔合线界面损伤行为。
S4、在ABAQUS有限元软件中模拟6+4mm组合的5083-H112铝合金电阻点焊接头的拉伸剪切力学性能测试过程;其中,在水平方向对有限元模型施加1mm/min的拉伸速率,母材与熔核的应力-应变关系应参照S1所获得的应力-应变曲线,而不是采用原始母材自身的应力-应变关系。
使用本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法对所述6+4mm组合的5083-H112铝合金电阻点焊接头做多次测试,所得到的断裂载荷与实际测试结果之间的对比如表1所示。
实施例 | 模拟断裂载荷/kN | 实验断裂载荷/kN | 误差/% |
1 | 6.34 | 6.52 | 1.99 |
2 | 6.33 | 6.43 | 1.56 |
3 | 6.40 | 6.49 | 1.39 |
4 | 6.57 | 6.60 | 1.52 |
5 | 6.33 | 6.38 | 0.78 |
表1
从这一对比数据可以看出,本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法的预测结果与实际测量结果间的误差很小,在误差精度要求不是特别高的场合完全可以替代电阻点焊接头的实际力学性能实验,有效降低电阻点焊接头力学性能实验测试成本。
上述本发明实施例虽然是以电阻点焊接头拉伸剪切力学性能测试为例,但剥离、凿剥离、疲劳等各种力学性能实验过程均可采用本发明实施例提供的电阻点焊接头力学性能的预测方法来实现。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下,即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,包括:
剖开电阻点焊接头;
对所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别进行仪器化压入实验,将所述仪器化压入实验过程中生成的载荷-位移曲线转换为应力-应变曲线;
建立电阻点焊接头的有限元模型;
为所述有限元模型耦合损伤模型;
基于所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域的应力-应变曲线,采用耦合损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程,得到电阻点焊接头中各区域的力学性能指标。
2.根据权利要求1所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,在剖开电阻点焊接头之后,所述方法还包括:
对所述电阻点焊接头的剖开面进行研磨、抛光和腐蚀。
3.根据权利要求1或2所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述电阻点焊接头的剖开面中的区域包括:熔核区、熔合线界面区、母材区;或包括:熔核区、熔合线界面区、靠近熔合线界面区的母材区、远离熔合线界面区的母材区;其中,
所述熔合线界面区是熔核与母材交界的区域。
4.根据权利要求3所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述对所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别进行仪器化压入实验包括:
在所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域分别选取一个测试点;
在各个测试点上分别进行压入实验,得到各个测试点对应的载荷-位移曲线。
5.根据权利要求1或2所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述建立电阻点焊接头的有限元模型包括:
为所述电阻点焊接头的剖开面构建几何模型;所述几何模型包括有熔核区的形状、尺寸,母材区的形状、尺寸,熔合线界面区的形状、尺寸;
为所述几何模型划分网格,施加约束;其中,在划分网格时,熔核与母材界面处的网格节点完全重合;
为所述几何模型中的各个网格赋予材料属性。
6.根据权利要求5所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述划分网格采用八节点线性六面体缩减积分单元实现,平均网格边长在0.5mm-1mm之间。
7.根据权利要求5所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述为所述几何模型划分网格还包括:
对熔合线界面区的网格做细化,使得所述熔合线界面区网格的边长小于电阻点焊接头中除所述熔合线界面区以外的其它区域的网格边长。
8.根据权利要求7所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述熔合线界面区的网格的最小边长在0.1mm-0.05mm之间。
9.根据权利要求1或2所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述损伤模型包括:
母材损伤模型、熔核损伤模型和熔合线界面损伤模型。
10.根据权利要求1或2所述的电阻点焊接头力学性能的预测方法,其特征在于,所述采用耦合损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程包括:
按照实际力学性能测试的测试参数确定模拟力学性能测试实验过程中的测试参数;
采用耦合损伤模型的有限元模型模拟力学性能测试实验过程,其中,力学性能测试中采用所述电阻点焊接头的剖开面中的各区域的应力-应变曲线。
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