CN1815167A - 模拟焊点有限元建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种模拟焊点有限元建模的方法，用二个节点之间的约束议程处理对点焊进行描述，通过定义一个失效力以模拟点焊连接的破坏，加入焊点的法向力和剪切力，通过非线性的方法来描述焊点的模拟，点焊的失效条件为：本发明的优点在于可更精确地模拟焊点结构，提高模型分析计算精度，使得计算结果可直接用于指导实际结构的设计制造，从而大大地缩短设计周期，降低设计成本，提高设计效率，节约大量人力、物力和财力，为企业和社会创造巨大的经济效益和社会效益。

Description

模拟焊点有限元建模的方法

涉及领域

本发明涉及一种模拟焊点有限元建模的方法，该技术可用于机械设计与机械制造工程领域：在对包含点焊连接方式的工程对象进行有限元建模分析计算时，点焊单元的模拟通常为影响模型精度的重要因素。

背景技术

一直以来，点焊连接作为一种最通用常见的连接方式，大量地应用在汽车、机车、五金等金属薄板件互连中，数量多达几万个。焊核形状近似直径为4-6毫米的圆柱形，间距在40-60毫米之间，以50毫米居多，主要为搭接焊或翻边点焊，单排布置。通常焊点的失效形式是由于长期交变应力疲劳破坏所至，在恶劣工况下，一般表现为撕裂和剪断等瞬态破坏两种形式，这是因为点焊结构在实际工作状态下主要承受沿法向的拉应力和沿径向的剪切应力。在对此类结构进行有限元建模分析时，关于焊点建模的模拟问题，通常是摆在工程设计人员面前的一道难题。

目前国内外文献中已提出各种模拟方法如表1所示：

表1焊点模拟方法

单元类型	承载类型	网格疏密	参数确定难易程度	用于大量均布密集焊点	用于单个焊点的精度
						短梁	拉压弯扭	较疏	不易	较差	较高
块	各种载荷	密	较易	差	高
						铰	位移约束	较疏	易	较差	较低
扭转弹簧	扭	较疏	不易	较差	较低
						拉伸弹簧	拉	较疏	不易	较差	较低
杆	拉、压	较疏	不易	较差	较低
						节点耦合	位移约束	较疏	易	较好	较低
单层板	弯、扭	疏	较易	较好	低

从表1可以看出，在对单个焊点进行建模研究时，采用短梁和块单元的形式可以获得较高的建模精度；对于大量均布密集焊点建模时，通常采用节点耦合自由度的方法和采取单层板刚性连接的方式来代替实际焊点的连接。但是，若模型耦合自由度数太多，就无法计算；而采用单层板刚性连接的建模方式与实际情况在力学属性上不尽相同，导致所建的有限元模型“偏刚”，计算精度较低，得到分析的结果可信度不高。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术的上述不足而提供一种模拟焊点有限元建模的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种模拟焊点有限元建模的方法，其用二个节点之间的约束议程处理对点焊进行描述，通过定义一个失效力以模拟点焊连接的破坏，加入焊点的法向力和剪切力，通过非线性的方法来描述焊点的模拟，点焊的失效条件为：

${\left(\frac{\left|f_n\right|}{S_n}\right)}^{\stackrel{\↓}{n}}+{\left(\frac{\left|f_S\right|}{S_S}\right)}^m\≥1$

其中，S_n为点焊失效的极限法向力；S_S为点焊失效的极限剪切力；n为法向点焊力指数；m为剪切点焊力指数；f_n和f_S分别是法向界面力和剪切界面力。

本发明结合焊点的失效形式，即综合考虑焊点失效时的法向力和剪切力因素，通过非线性的方法来描述焊点的模拟。将失效条件定义在新建立的点焊单元的解算算法中。这样由此获得的点焊新单元，由于综合考虑了点焊结构在实际工况下的受力和破坏情况，其结构在应力应变传递过程中，更接近于实际物理样机的力学特性；而且在模型上也容易建立单元，将成为一种较理想的建模替代方法。根据此种新建模方法建立有限元模型，可更精确地模拟焊点结构，提高模型分析计算精度，使得计算结果可直接用于指导实际结构的设计制造，从而大大地缩短设计周期，降低设计成本，提高设计效率，节约大量人力、物力和财力，为企业和社会创造巨大的经济效益和社会效益。

本发明的目的、优点、和特点，将通过下面优先实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1所示为某一由多个零件通过点焊连接构成的分总称部件模型示意图。

图2所示为其中某两个零件之间描述点焊模型的边界约束议程示意图。

具体实施方式

如图1-图2所示，对点焊描述可以类似于二个节点之间的约束议程处理。由于焊点主要承受法向拉伸力和径向剪切力，可以通过定义一个失效力以模拟点焊连接的破坏。在二个节点之间的边疆是无质量的和刚性的，这二个节点必须不重合，并且对他们没有施加其他任何约束。

点焊的失效条件为：

${\left(\frac{\left|f_n\right|}{S_n}\right)}^n+{\left(\frac{\left|f_S\right|}{S_S}\right)}^m\≥1$

其中，S_n为点焊失效的极限法向力；S_S为点焊失效的极限剪切力；n为法向点焊力指数；m为剪切点焊力指数；f_n和f_S分别时法向界面力和剪切界面力。

焊点失效极限法向力和极限剪切力可通过实验方式来测得具体数值，法向和剪切点焊力指数则通过分析模拟计算与实验相结合，同时不断反复模型修正的过程中来积累标定。

该方法既适用于结构在弹性力学范畴内的静、动态分析，同样也适用于类似汽车碰撞过程具有高速冲击载荷、短时间、几何非线性和材料非线性等特点的塑性力学范畴。

另外，本发明并不一定只局限于上文讲述的实施例，根据本发明的主旨可以产生出各种变形例，变形例也属于本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种模拟焊点有限元建模的方法，其特征在于：用二个节点之间的约束议程处理对点焊进行描述，通过定义一个失效力以模拟点焊连接的破坏，加入焊点的法向力和剪切力，通过非线性的方法来描述焊点的模拟，点焊的失效条件为：

${\left(\frac{\left|f_{\stackrel{\·}{n}}\right|}{S_n}\right)}^n+{\left(\frac{\left|f_s\right|}{S_s}\right)}^m\≥1$

其中，S_n为点焊失效的极限法向力；S_s为点焊失效的极限剪切力；n为法向点焊力指数；m为剪切点焊力指数；f_n和f_s分别是法向界面力和剪切界面力。

2.根据权利要求1所述的模拟焊点有限元建模的方法，其特征在于：所述的二个节点之间的边疆是无质量的和刚性的，这二个节点必须不重合，并且对他们没有施加其他任何约束。

3.根据权利要求1所述的模拟焊点有限元建模的方法，其特征在于：焊点失效极限法向力和极限剪切力通过实验方式来测得具体数值，法向和剪切点焊力指数则通过分析模拟计算与实验相结合，同时不断反复模型修正的过程中来积累标定。

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