CN114662221A - 一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，具体包括以下步骤：根据焊接标准，试验获得异种材料的焊接窗口；对焊接窗口临界点做如下三种焊接失效试验：十字拉伸试验、抗剪拉伸试验、拉拔拉伸试验；通过万能试验机获得异种材料的十字拉伸破坏力、抗剪拉伸破坏力、拉拔拉伸试验破坏力，计算得到不同焊接失效模式的试样的平均力；制作材料卡，根据焊接失效试验条件设定有限元分析的约束工况，计算十字拉伸、抗剪拉伸、拉拔拉伸三种焊接失效模拟过程的载荷和位移曲线，并与试验结果进行对比分析。优点是：利用有限元分析方法建立异种材料的电阻点焊的断裂失效模型，能够预测整车CAE碰撞过程的关键敏感部位焊点失效。

Description

一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法
技术领域
本发明属于焊接结构可靠性评估技术领域，尤其涉及一种应用于新车型整车CAE碰撞过程的关键敏感部位焊点失效预测的异种材料电阻点焊材料卡的标定方法。
背景技术
国家对环保法规要求越来越严格，汽车车身轻量化成为发展趋势，轻量化材料的应用受到重视。在保证车身轻量化的同时，汽车的被动安全性成为了关注的重点。而碰撞试验成本昂贵，随着CAE技术的发展，其在新车型设计过程中成为了碰撞研究的重要方式。
碰撞CAE分析中，焊点定义为实体单元或者梁单元，在计算过程中难以精确反应异种材料的焊点特性，因此计算效率和计算精度相对较低。目前，除了需要材料自身的断裂卡片外，如何准确地获得异种材料的电阻点焊的焊点变形及失效模式，建立准确的异种材料焊接卡片成为碰撞CAE分析中的重点和难点。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，能够准确地获得异种材料的电阻点焊的焊点变形及失效模式，建立准确的异种材料焊接卡片，便于预测整车CAE碰撞过程的关键敏感部位焊点失效，提高CAE碰撞分析精度。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，具体包括以下步骤：
1)异种材料的平均十字拉伸强度、抗剪拉伸强度和拉拔拉伸试验破坏力检测
(a)根据焊接标准，试验获得异种材料的焊接窗口；
(b)对焊接窗口临界点做如下三种焊接失效试验：
十字拉伸试验、抗剪拉伸试验、拉拔拉伸试验；
(c)通过万能试验机获得异种材料的十字拉伸破坏力、抗剪拉伸破坏力、拉拔拉伸试验破坏力，计算得到不同焊接失效模式的试样的平均力；
2)制作材料卡，在材料卡中定义焊核失效拉拔力、剪力、扭力、弯矩、扭矩，当焊核合力超过定义的包络面时焊点发生失效；
3)采用有限元分析方法建立异种材料的电阻点焊的断裂失效模型
根据焊接失效试验条件设定有限元分析的约束工况，计算十字拉伸、抗剪拉伸、拉拔拉伸三种焊接失效模拟过程的载荷和位移曲线，并与试验结果进行对比分析；
(a)按试验试样尺寸建立有限元CAD对标模型；
(b)仿真工况；
十字拉伸：约束上下母材板料x，y平动自由度；赋予母材板料z向位移；
抗剪拉伸：约束上下母材板料y，z平动自由度；赋予母材板料x向位移；
拉拔拉伸：约束上下母材板料x，y平动自由度；赋予母材板料x向位移；
(c)分析数据处理
根据步骤(b)得到的仿真数模，绘制各焊接失效模式下焊点载荷-位移曲线，得到焊接失效模式下的焊点破坏力；
4)将步骤3)得到的仿真结果焊点破坏力与步骤1)采用万能试验机获得的不同焊接失效模式的试样的平均力进行比对，校验焊接失效模式的有限元分析模型的准确性，并对焊接的材料卡进行数据标定和验证；
在不同焊接失效模式下，仿真与试验结果拟合度达到95％以上的材料卡，判定为对异种材料电阻点焊的失效模式的准确仿真模拟。
步骤2)中所述的材料卡为在LS-DYNA软件中制作的*MAT#100材料卡。
步骤3)中所述的上下母材板料为两种不同牌号的钢铁板材。
不同焊接失效模式的试样的破坏力平均力的计算方法：
取焊接窗口中最小焊点直径曲线上的临界点和飞溅曲线临界点，每个临界点焊接参数条件下做3组以上十字拉伸试验、抗剪拉伸试验或拉拔试验，以及临界点的平均破坏力取平均值，计算得到不同焊接失效模式的试样的平均破坏力。
所述的焊接标准为SMTC5111 003-2014(V1)。
步骤1)万能试验机能够直接获得载荷-位移曲线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法利用有限元分析方法建立异种材料的电阻点焊的断裂失效模型，与实验数据进行比对，校验焊点失效模式的有限元分析模型的准确性，并对焊接的材料卡进行数据标定和验证，最终建立准确的异种材料焊接卡片，能够预测整车CAE碰撞过程的关键敏感部位焊点失效，提高CAE碰撞分析精度，节省研发成本，缩短了研发周期。
附图说明
图1是A-B电阻点焊焊接工艺参数窗口。
图2是十字拉伸试样图。
图3是抗剪拉伸试样图。
图4是拉拔拉伸试样图。
图5是十字拉伸试样焊点的应力云图。
图6是抗剪拉伸试样焊点的应力云图。
图7是拉拔试样焊点的应力云图。
图8是十字拉伸试样载荷-位移曲线图。
图9是抗剪拉伸试样载荷-位移曲线图。
图10是拉拔试样载荷-位移曲线图。
图中：1-焊核 2-上母材板料 3-下母材板料。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，对异种材料电阻点焊断裂失效的实验数据进行处理，建立焊接材料卡片；利用有限元分析方法建立异种材料的电阻点焊的断裂失效模型，与实验数据进行比对，校验焊点失效模式的有限元分析模型的准确性，并对焊接的材料卡进行数据标定和验证。
以汽车用钢Ⅰ-Ⅱ(Ⅰ、Ⅱ是两种不同牌号的上下母材板料)的电阻点焊为例，母材板料长宽尺寸为50*150mm，依据SMTC5111 003-2014(V1)标准，获得A-B焊接工艺参数窗口，见图1。
焊接窗口中最小焊点直径曲线上A、B、C三个临界点和飞溅曲线上的D、E、F三个临界点，每个临界点在焊接参数条件下做3组十字拉伸试验、3组抗剪拉伸试验、3组拉拔拉伸试验，试样形状及尺寸见图2-图4。在万能试验机上试验获得异种材料的十字拉伸破坏力，抗剪拉伸破坏力和拉拔拉伸破坏力，6个临界点的平均破坏力取平均值，计算得到不同失效模式的试样的平均破坏力，见表1。
表1不同失效模式的试样的平均破坏力
Figure BDA0003565034710000031
Figure BDA0003565034710000041
以十字拉伸试验为例，焊接窗口中最小焊点直径曲线上A、B、C三个临界点和飞溅曲线上的D、E、F三个临界点，每个临界点焊接参数条件下做3组十字拉伸试验、6个临界点的平均破坏力取平均值，计算得到不同失效模式的试样的平均破坏力，见表2。
表2十字拉伸测试结果
Figure BDA0003565034710000042
三种焊接失效试验的试样形状及尺寸，与一些实验设备的匹配性良好，且易于加工。
建立焊点材料卡*MAT#100，将各失效模式仿真模型进行试件约束与载荷施加，导入求解器中进行计算。其中，*MAT#100材料卡是一种专为焊点开发的自带失效模型的材料模型，需定义材料的密度、弹性模量、泊松比、应力-应变曲线等参数。其失效行为遵循一种基于合力的准则，见式(1)。在材料卡中定义焊核失效拉拔力(Nrr)、剪力(Nrs、Nrt)、弯矩(Mss、Mtt)、扭矩Mrr，当焊核合力超过定义的包络面时焊点发生失效。
Figure BDA0003565034710000043
应用后处理软件(HyperView)得到焊点的应力云图和载荷-位移曲线，见图5-图10。
见图5、图8，显示出在十字拉伸工况载荷作用下，应力主要集中在母材及圆孔周边，焊点所能承受的最大载荷为2772N，对应失效位移为10.13mm。
在抗剪拉伸工况下，如图6、图9显示，应力主要集中在焊点及与母材焊点相连部位，焊点所能承受的最大载荷为3893N，对应失效位移为1.08mm。
如图7、图10显示出在拉拔拉伸工况下，应力主要集中在木材与焊点周边，焊点所能承受的最大载荷为761N，对应失效位移为44.05mm。
将仿真结果与表1中的试验数据进行对比，可以得出十字拉伸工况的仿真计算结果与试验数据误差为1.32％，抗剪拉伸工况下的仿真结果与试验结果的误差为0.51％，拉拔拉伸工况的仿真模拟数据与平均实验破坏力也非常接近，误差为0.28％。
因此，本发明方法，可实现对异种材料电阻点焊的失效模式的准确仿真模拟。能够帮助预测整车CAE碰撞分析的关键敏感部位焊点失效，提高CAE碰撞分析精度。

Claims (6)

1.一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)异种材料的平均十字拉伸强度、抗剪拉伸强度和拉拔拉伸试验破坏力检测
(a)根据焊接标准，试验获得异种材料的焊接窗口；
(b)对焊接窗口临界点做如下三种焊接失效试验：
十字拉伸试验、抗剪拉伸试验、拉拔拉伸试验；
(c)通过万能试验机获得异种材料的十字拉伸破坏力、抗剪拉伸破坏力、拉拔拉伸试验破坏力，计算得到不同焊接失效模式的试样的平均力；
2)制作材料卡，在材料卡中定义焊核失效拉拔力、剪力、扭力、弯矩、扭矩，当焊核合力超过定义的包络面时焊点发生失效；
3)采用有限元分析方法建立异种材料的电阻点焊的断裂失效模型
根据焊接失效试验条件设定有限元分析的约束工况，计算十字拉伸、抗剪拉伸、拉拔拉伸三种焊接失效模拟过程的载荷和位移曲线，并与试验结果进行对比分析；
(a)按试验试样尺寸建立有限元CAD对标模型；
(b)仿真工况；
十字拉伸：约束上下母材板料x，y平动自由度；赋予母材板料z向位移；
抗剪拉伸：约束上下母材板料y，z平动自由度；赋予母材板料x向位移；
拉拔拉伸：约束上下母材板料x，y平动自由度；赋予母材板料x向位移；
(c)分析数据处理
根据步骤(b)得到的仿真数模，绘制各焊接失效模式下焊点载荷-位移曲线，得到焊接失效模式下的焊点破坏力；
4)将步骤3)得到的仿真结果焊点破坏力与步骤1)采用万能试验机获得的不同焊接失效模式的试样的平均力进行比对，校验焊接失效模式的有限元分析模型的准确性，并对焊接的材料卡进行数据标定和验证；
在不同焊接失效模式下，仿真与试验结果拟合度达到95％以上的材料卡，判定为对异种材料电阻点焊的失效模式的准确仿真模拟。
2.根据权利要求1所述的一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，其特征在于，步骤2)中所述的材料卡为在LS-DYNA软件中制作的*MAT#100材料卡。
3.根据权利要求1所述的一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，其特征在于，步骤3)中所述的上下母材板料为两种不同牌号的钢铁板材。
4.根据权利要求1所述的一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，其特征在于，不同焊接失效模式的试样的破坏力平均力的计算方法：
取焊接窗口中最小焊点直径曲线上的临界点和飞溅曲线临界点，每个临界点焊接参数条件下做3组以上十字拉伸试验、抗剪拉伸试验或拉拔试验，以及临界点的平均破坏力取平均值，计算得到不同焊接失效模式的试样的平均破坏力。
5.根据权利要求1所述的一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，其特征在于，所述的焊接标准为SMTC5111 003-2014(V1)。
6.根据权利要求1所述的一种异种材料电阻点焊材料卡的标定方法，其特征在于，步骤1)万能试验机能够直接获得载荷-位移曲线。
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