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焊點(diǎn)疲勞仿真工程方法探討

2019-03-10 11:39:56·  來源：Simcenter 3D Online  作者：西門劍客之SC3Der  
　
電阻點(diǎn)焊過程是通過電極在被焊工件上施加并保持一定的壓力使工件穩(wěn)定接觸，然后輸出電流產(chǎn)生電阻熱來升高溫度，烙化接觸點(diǎn)至焊件內(nèi)部形成一定尺寸的焊核，然后切
電阻點(diǎn)焊過程是通過電極在被焊工件上施加并保持一定的壓力使工件穩(wěn)定接觸，然后輸出電流產(chǎn)生電阻熱來升高溫度，烙化接觸點(diǎn)至焊件內(nèi)部形成一定尺寸的焊核，然后切斷電流待焊核凝固后去除電極壓力，焊件間即形成了牢固的接頭。
 
              
點(diǎn)焊作為一種高效的連接方式廣泛應(yīng)用于汽車零部件和整車的制造過程中，通常一輛轎車約有3000-5000個(gè)電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)，電阻點(diǎn)焊是車身裝配中最主要的連接方式。電阻點(diǎn)焊主要用于汽車車身焊裝，包括車身底板側(cè)圍、車架、車頂?shù)炔糠趾秆b。
               
汽車車身結(jié)構(gòu)的疲勞耐久性能一般是由點(diǎn)焊疲勞壽命所決定。因?yàn)楹附舆B接會產(chǎn)生一定的缺口從而造成應(yīng)力集中。裂紋的起始位置一般在應(yīng)力集中的地方，然后通過焊點(diǎn)和母材擴(kuò)展，這使得通過點(diǎn)焊連接的結(jié)構(gòu)在工作期間常常在焊接處發(fā)生失效破壞。許多汽車制造商都會對車身進(jìn)行疲勞壽命分析，而車身上又采用如此大量的點(diǎn)焊連接，焊點(diǎn)疲勞仿真的迫切性和重要性顯而易見。點(diǎn)焊的性能與許多變量有關(guān)，如殘余應(yīng)力、材料不均勻性、焊接參數(shù)、厚度、熔核尺寸、熱影響區(qū)和基材的材料性能、涂覆層和粘合劑、載荷等。因此，需要有專業(yè)的焊點(diǎn)疲勞仿真分析方法和工具，實(shí)現(xiàn)對焊點(diǎn)的裂紋萌生進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的壽命預(yù)測，以滿足工程應(yīng)用需求。
多年來，研究人員開發(fā)并發(fā)表了多種焊點(diǎn)疲勞仿真分析方法。然而在今天的商用軟件中，只有兩種方法得到了實(shí)現(xiàn)：Rupp等人的基于力的方法和Brenner等人提出的基于應(yīng)力的方法?，F(xiàn)主流疲勞分析軟件都會采用一種Rupp等人在SAE950711上提出的基于力的方法(LBF方法)。這種方法通過計(jì)算焊核上的力和力矩，然后利用解析表達(dá)式得到焊核和熱影響區(qū)的應(yīng)力，從而根據(jù)材料試驗(yàn)曲線計(jì)算焊點(diǎn)損傷。該方法的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)格粗，計(jì)算快。該方法是通過精細(xì)網(wǎng)格模型與試驗(yàn)結(jié)果對比推導(dǎo)出來的方法，因此對于粗糙網(wǎng)格需要滿足以下條件:采用一維梁單元或者實(shí)體單元時(shí)相對于薄板來說剛度應(yīng)該足夠大。靠近焊點(diǎn)的殼單元尺寸應(yīng)為焊點(diǎn)直徑的兩倍。不考慮點(diǎn)焊連接的兩個(gè)金屬板的支撐作用。
Rupp的方法對有限元建模還有其它的一些要求。最早期的方法是采用的是梁單元連接殼單元，要求單元節(jié)點(diǎn)相容，即梁單元與殼單元垂直。但是，通常兩個(gè)鈑金件的網(wǎng)格是獨(dú)立網(wǎng)格的，因此不存在這樣的節(jié)點(diǎn)來連接一個(gè)梁單元，除非是基于幾何方式進(jìn)行建模，在劃分殼單元之前定義好梁單元。另外梁單元使用節(jié)點(diǎn)是6個(gè)自由度，而殼單元只使用5個(gè)自由度。 這可能導(dǎo)致有限元求解時(shí)產(chǎn)生數(shù)值歧異問題。一般情況下，處理這個(gè)問題的方法要么是在殼單元節(jié)點(diǎn)上引入額外的轉(zhuǎn)動剛度，要么是消除殼單元額外的轉(zhuǎn)動自由度。
后來建模方式被擴(kuò)展到剛性單元（Rbe2）和梁單元組合，以及剛體單元（Rbe3）和六面體單元組合（CDH方法）。在保證單元質(zhì)量的情況下解決了網(wǎng)格不兼容問題。
Rupp最早提出的應(yīng)力壽命曲線是通過1403號鋼的試樣測試得到的。這是一種冷軋扁鋼，維氏硬度約為200-300HV?？紤]到點(diǎn)焊生產(chǎn)本身的不確定性遠(yuǎn)大于板材本身的影響，所以Rupp的數(shù)據(jù)可以用于大量類似材料的點(diǎn)焊耐久分析。
 
西門子基于Simcenter 3D Specialist Durability提供完整的焊點(diǎn)疲勞疲勞仿真解決方案：包括動載荷獲取，焊點(diǎn)網(wǎng)格建模，焊點(diǎn)自動識別與焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測。內(nèi)嵌的基于力的算法除Rupp的LBF方法之外，還提供日本SAE（JSAE）開發(fā)的方法。兩種方法采用近似的理論，由于都是基于焊核上的力和力矩進(jìn)行推算，這里簡稱為力法。Rupp的方法對網(wǎng)格靈敏度比較高，對網(wǎng)格質(zhì)量要求高，計(jì)算結(jié)果偏保守。Simcenter 3D Specialist Durability還提供基于應(yīng)力的焊點(diǎn)疲勞仿真分析方法，與力法對應(yīng)，這里簡稱為應(yīng)力法。
 
應(yīng)力法是通過獲取焊點(diǎn)周圍網(wǎng)格上每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力（GPForce，2sides），基于內(nèi)嵌的焊點(diǎn)有限元模型和算法，精確計(jì)算焊核徑向應(yīng)力，然后利用該應(yīng)力基于SN曲線進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算。焊核徑向應(yīng)力的計(jì)算與節(jié)點(diǎn)力，板厚和焊核直徑直接相關(guān)。該方法有效的避免了力法理論中最大的一個(gè)過渡假設(shè)：在彎曲和橫向荷載作用下，剛性焊核的直徑和約束類型是固定的。
應(yīng)力法比力法明顯的優(yōu)勢在于其精度高，對網(wǎng)格不敏感。
計(jì)算精度對比可參考以下圖表：
對網(wǎng)格的敏感性可參考以下圖表：
Simcenter 3D Specialist Durability可自動識別網(wǎng)格中的焊點(diǎn)，包括粗糙NVH焊點(diǎn)和精細(xì)化焊點(diǎn)。對于精細(xì)化焊點(diǎn)的自動識別，要求局部精細(xì)化焊點(diǎn)網(wǎng)格模型中焊點(diǎn)附近至少有一圈比較好的環(huán)形排列單元（washer單元），且每圈單元數(shù)量至少為5個(gè)，并通過蛛網(wǎng)單元連接梁單元。Simcenter 3D Specialist Durability可自動識別這種模式的精細(xì)化焊點(diǎn)，并支持這種類型的精細(xì)化焊點(diǎn)網(wǎng)格快速和自動創(chuàng)建。
為了尋找數(shù)值精度和計(jì)算成本之間的最佳平衡，開發(fā)人員進(jìn)行了大量收斂性研究。在這些研究中，在不同載荷下，將不同離散程度（焊核相鄰的殼體單元數(shù)和單元類型)）的模型的結(jié)果與精細(xì)網(wǎng)格模型進(jìn)行了比較。研究的結(jié)果表明，當(dāng)沿著焊核圓周使用16個(gè)均勻形狀的一階殼單元(4個(gè)節(jié)點(diǎn))時(shí)，數(shù)值精度和計(jì)算量之間得到了最佳的折衷。
 
為提高建模效率，Simcenter 3D Specialist Durability支持焊點(diǎn)自動精細(xì)化。切換焊點(diǎn)類型即可由粗糙NVH焊點(diǎn)模型自動轉(zhuǎn)化為精細(xì)化焊點(diǎn)模型，其強(qiáng)大的網(wǎng)格建模功能保證整體單元質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。自動識別的焊點(diǎn)可在后續(xù)焊點(diǎn)疲勞仿真過程直接調(diào)用。
 
小結(jié)：
Simcenter 3D Specialist Durability提供兩種方法支持焊點(diǎn)疲勞仿真分析：
 
第一種傳統(tǒng)的基于力的方法（LBF，JSAE）。該方法直接利用相對粗糙的NVH焊點(diǎn)模型 (HEXA, CWELD 或 CBAR)，通過預(yù)測出焊核上的力和力矩，根據(jù)解析表達(dá)式得到焊核和影響區(qū)的應(yīng)力，根據(jù)得到應(yīng)力計(jì)算損傷。該方法網(wǎng)格粗，計(jì)算快，可直接利用NVH模型。但對網(wǎng)格質(zhì)量敏感性高，不容易獲得高精度結(jié)果。
 
第二種基于應(yīng)力的方法。該方法用精細(xì)化的局部焊點(diǎn)模型代替粗糙NVH焊點(diǎn)，并基于內(nèi)嵌精細(xì)化焊點(diǎn)有限元模型（疲勞求解器中）計(jì)算出應(yīng)力以預(yù)測焊點(diǎn)疲勞壽命。該方法對局部焊點(diǎn)精細(xì)化網(wǎng)格模型有專門的要求，計(jì)算速度相對較慢，精度高。 
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