點焊連接的有限元建模方法研究

1、點焊連接的有限元建模方法研究 摘 要：基于點焊單搭接剪切拉伸試驗，在ansys軟件環(huán)境中模擬點焊連接的力學(xué)特性，從材料模型、計算模型等方面，尤其是焊點單元與基材單元的連接方式對點焊連接在剪切拉伸工況下的建模方法進行研究。針對焊點單元與基材單元的共節(jié)點連接、mpc連接、節(jié)點耦合連接3種情況，通過模擬計算結(jié)果與真實試驗結(jié)果的比對，得出較為精確的焊點連接模擬方法，并對焊點單元與基材單元的不同連接方式建模的優(yōu)劣進行分析。 關(guān)鍵詞：點焊接頭；有限元模型；焊點模擬；彈塑性材料 中圖分類號：u466文獻標(biāo)文獻標(biāo)志碼：a文獻標(biāo)doi：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.05.003 r

2、esearch on finite element modeling of spot weld-bonded joints yang ran1，chen junyi2，wang hongyan1,2 （1. chinese-german college, tongji university，shanghai 200092, china； 2. college of automotive engineering, tongji university，shanghai 201804, china） abstract：based on the shear test, the paper explor

3、ed an available simulation method used for spot weld-bonded joints in the ansys workbench environment. the research focuses on the material model, calculation model and especially on the simulation method for the joint between the spot elements and the plate elements. on the basis of real shear test

4、 result, a finite element model was built to determine the most accurate simulation method for spot-welded joints by comparing the results of three methods: the conode method, mpc method and node coupling method. keywords：spot weld bonded joint；finite element model；spot weld simulation；elastic plast

5、ic material model 點焊連接具有質(zhì)量輕、靜強度高、可靠性好、性能穩(wěn)定和易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中被廣泛采用，是車身結(jié)構(gòu)中大量金屬板件之間的主要連接形式1。因此，在車身設(shè)計的早期，運用計算機輔助分析手段，對焊點的連接強度進行模擬分析，對于有效降低生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量有十分重要的現(xiàn)實意義。 目前國內(nèi)外采用有限元模擬對焊點進行研究的主要人員和方法有：（1）清華大學(xué)的呂毅寧、呂振華2基于雙帽形焊接薄壁梁結(jié)構(gòu)對焊點建模方法進行了探索，分析了直接連接焊點模型和rbe3單元模型對模型剛度和固有振動頻率的影響。（2）奇瑞汽車股份有限公司的金泉軍3基于方盒沖壓形件采用

6、abaqus軟件對簡化焊點單元選擇及建模方法進行了研究，認(rèn)為彈塑性單元耦合3個平移自由度與3個轉(zhuǎn)動自由度的焊點模型模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確。（3）法國的bertrandlangrand和alaincombescure4同樣采用有限元法模擬了單一焊點的剪切搭接試驗、剝離試驗和正拉伸試驗，并探索了失效條件，獲得了較為理想的模擬結(jié)果。但目前的研究主要針對焊點建模的單元類型選擇及模擬方式，本文則重點探討焊點單元與基材單元間連接、接觸方式的影響。本文采用ansys軟件，基于點焊剪切拉伸試驗，對焊點單元與基材單元間的連接方式做重點探討，針對共節(jié)點連接、mpc連接和節(jié)點耦合連接3種連接方式，分析其力學(xué)特性，并與試驗

7、結(jié)果進行比對，探討點焊模型連接建立的方法優(yōu)劣。剪切強度是車身連接的重要力學(xué)特征，因此研究結(jié)果對車身連接的研究具有應(yīng)用參考價值。 1 點焊剪切拉伸試驗 1.1 試件制備及試驗條件 參照標(biāo)準(zhǔn)astmd1002-01，設(shè)計剪切拉伸試驗。試件的尺寸、形狀如圖1所示。焊點直徑為5mm，兩焊點間距50mm；基材采用型號為gmw2299m-st-s780t/450ydp、厚度為1.7mm的雙相鋼板，該鋼板主要用于車身的門檻梁，拉伸速度設(shè)定為10mm/min。 1.2 試驗結(jié)果 由于對試驗結(jié)果不進行統(tǒng)計學(xué)分析，只作為仿真比對的參照，因此點焊剪切拉伸試驗只進行3次。試驗的力學(xué)特性參數(shù)結(jié)果見表1。 3次試驗的力位

8、移曲線如圖2所示。 由圖2可以看出，3條曲線前半段斜率接近，但后半段曲線有較大差異，這一差異與兩焊點接頭的失效模式和焊點質(zhì)量有關(guān)。試件1拉伸曲線中只有1個峰值，顯示兩焊點在拉伸過程中同時失效斷裂；試件2和試件3的拉伸曲線中均含有兩個峰值，表明兩焊點在拉伸過程中先后失效。由于在有限元模型計算中，兩焊點的受力將完全一致，因此試件1的失效模式更加符合模擬分析的特點，從而參照試件1選擇8mm位移作為計算模型的位移輸入并作為下文比對的基礎(chǔ)。 試件1的失效形式如圖3所示，焊點處斷裂失效，焊點周圍變形，基材兩側(cè)變形翹起，焊點上下兩側(cè)有撕拉損壞。 2 點焊剪切拉伸模型 2.1 材料模型參數(shù) 試驗中采用基材的主

9、要力學(xué)性能參數(shù)見表2。 基材塑性段特性和切線模量的提取如圖4所示。 由于焊點接頭屈服強度較大，在拉伸過程中鋼板基材與焊點處也產(chǎn)生了塑性變形，因此在模擬過程中采用彈塑性模型能夠較好地模擬實際拉伸過程。在ansys平臺中，雙線性各向同性硬化模型（biso）能夠較好地表現(xiàn)材料的彈塑性特性5，并且比多線性材料模型計算更為簡便4，能夠同時模擬基材和焊點的剪切變形。主要輸入的參數(shù)有：楊氏彈性模量、泊松比、屈服應(yīng)力、切線模量見表3和表4。 2.2 單元類型選擇 基材單元采用shell181單元，這是一種4節(jié)點單元，適用于分析較薄和中度厚度的殼結(jié)構(gòu)，也適用于大應(yīng)變非線性分析。建模時設(shè)置殼單元厚度為1.7mm，

10、建成后的殼單元結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如圖5所示。 焊點單元選擇beam188單元，這是一種2節(jié)點單元，適用于分析三維空間中塑性梁力學(xué)情況。這種單元也適用于分析線性、大幅扭轉(zhuǎn)、大應(yīng)變非線性及剪切變形影響，與點焊單搭接剪切拉伸試驗的力學(xué)特性相吻合。建模時設(shè)置焊點直徑為5mm，建成后的焊點單元結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如圖6所示。 2.3 約束條件的確定 約束條件加載于試驗試件的兩端，將約束直接作用在節(jié)點上。如圖7所示，一端固定x、y、z、rx、ry、rz6個方向的自由度，另一端加載定值位移。計算后，可以根據(jù)計算結(jié)果中的子步數(shù)，利用時間歷程后處理讀出每個子步的y方向位移以及整個模型受到的y方向反力，從而得到力位移曲線，

11、作為與試驗結(jié)果的對比驗證的標(biāo)準(zhǔn)。 3 連接模型的建立及驗證分析 焊點單元與基材單元之間連接的建模方法是影響計算結(jié)果的重要因素，本文基于以上的計算模型對這一連接的建模方法進行重點探討。主要分析共節(jié)點連接、mpc連接和節(jié)點耦合連接。 3.1 連接模型的建立 共節(jié)點方法是較為傳統(tǒng)的連接方法。在點焊單搭接剪切拉伸模型中，焊點梁單元的兩端與基材殼單元對應(yīng)位置采用同一組節(jié)點。模型建立時，焊點梁單元由基材殼單元對應(yīng)位置的節(jié)點直接生成6。連接方式如圖8所示。 mpc連接是一種新型的連接方式，僅適用于三維模型，是處理節(jié)點自由度耦合較為理想的形式，它不需要單元共節(jié)點，計算結(jié)果在交界面上位移連續(xù)，應(yīng)力不連續(xù)。該方法

12、可以理解為一種綁定的接觸形式。它采用了接觸模塊，能夠克服傳統(tǒng)約束只適用于小應(yīng)變的限制。 mpc方法所應(yīng)用的接觸對定義模塊是通過“目標(biāo)面”和“接觸面”形成“接觸對”來模擬實體間的接觸關(guān)系。焊點與基材mpc接觸對的建立在ansys中可以通過swgen命令建立焊點接觸集（spotweldset）來建立，焊點單元為接觸單元（contact175），基材單元為目標(biāo)單元（targe170）。焊點接觸對的接觸關(guān)系如圖9所示。 對位置重合的節(jié)點進行自由度耦合也可以實現(xiàn)相應(yīng)節(jié)點的連接。在ansys中可以通過cpintf命令實現(xiàn)節(jié)點自由度的耦合，計算結(jié)果位移、應(yīng)力在該處連續(xù)。cpintf命令通過在每對重合節(jié)點上定

13、義自由度標(biāo)記生成一耦合集而實現(xiàn)對模型中重合節(jié)點的耦合，此操作可以簡易地“扣緊”幾對節(jié)點。耦合結(jié)果如圖10所示。 3.2 連接模型的驗證分析 3.2.1 變形情況 共節(jié)點連接模型計算至99.15%時停止，最大位移為8.026mm；mpc連接模型計算至92.69%時停止，最大位移為9.968mm；節(jié)點耦合連接模型計算至97.87%時停止，最大位移為7.915mm。如圖11 圖13所示。 共節(jié)點連接模型的變形情況與試驗結(jié)果相似，焊點周圍變形，基材兩端翹起；mpc連接模型的變形情況比試驗結(jié)果更為明顯，基材搭接處及焊點周圍嚴(yán)重起伏變形，焊點兩端嚴(yán)重翹起；節(jié)點耦合連接模型的變形情況與試驗結(jié)果及共節(jié)點模型結(jié)

14、果類似，焊點周圍變形，基材兩端翹起。 3.2.2 應(yīng)力分布 共節(jié)點連接模型與節(jié)點耦合連接模型應(yīng)力分布相似，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊點及焊點周圍，搭接范圍內(nèi)尤其是基材兩側(cè)邊緣處應(yīng)力較大，基材中心處則應(yīng)力值較低；焊點受拉的上下兩側(cè)應(yīng)力值最大，與試驗中焊點的破損位置較為吻合。如圖14、圖16所示。 mpc連接模型的最大應(yīng)力則出現(xiàn)在基材上焊點附近及焊點內(nèi)側(cè)。基材上搭接范圍應(yīng)力值較大，由于mpc接觸需設(shè)置接觸范圍，因此大應(yīng)力值的范圍更大，也造成了搭接區(qū)域的嚴(yán)重變形；焊點則是內(nèi)側(cè)方向應(yīng)力集中，與試驗中焊點處的損傷有一定差異。如圖15所示。 3.2.3 力位移曲線 從圖17可以看出共節(jié)點連接模型與節(jié)點耦合模型與試

15、驗結(jié)果較為吻合，位移終點處拉力最大值相對誤差分別為18.21%和16.80%。mpc連接模型與試驗結(jié)果差異較大，但最大拉力值范圍穩(wěn)定，在位移終點處最大拉力值與試件1的相對誤差為23.40%。 4 結(jié)論 從材料模型、計算模型等方面探討了在剪切拉伸工況下進行點焊連接的建模方法，尤其是在焊點單元與基材單元的連接上，采用了共節(jié)點、mpc、節(jié)點耦合3種方法，并對比試驗曲線，分析了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，得出以下結(jié)論。 （1）焊點和基材采用雙線性材料模型，可以較好地模擬單搭接剪切拉伸工況下的點焊連接。 （2）焊點和基材單元可以采用較為簡易的梁單元和殼單元進行模擬，不僅比體單元建模簡便、計算時間短，而且能夠達到較

16、好的模擬效果，并同樣能清晰地了解焊點和基材的應(yīng)力分布。 （3）焊點與基材單元采用mpc連接的建模方式，其結(jié)果的精準(zhǔn)性不高，基材變形過于嚴(yán)重，焊點應(yīng)力集中方向也與實際有差異。 （4）焊點與基材單元采用共節(jié)點或是采用節(jié)點耦合連接方法，兩者結(jié)果相似，計算曲線的趨勢與試驗結(jié)果較為吻合，基材變形情況與試驗一致，焊點應(yīng)力集中方向也與實際試驗相符。而節(jié)點耦合法建模更簡易，更便于應(yīng)用。 參考文獻(references): 張濤，李光，陳濤基于耐撞性的前縱梁焊點模擬及其優(yōu)化設(shè)計j汽車工程，2010(6)：525-529. zhang tao，li guang，chen tao. simulation and o

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