汽车碰撞仿真中的连接失效模拟

图 5 某开裂节点对应的两个 图 6 开裂焊点对应节点直线
节点的厚向位移2时间
距离2时间曲线
上述的两种不同的折曲
模式所产生的薄壁的碰撞吸
能特性也不同。图 7 为两种折
曲模式的轴向压力和位移的
变化曲线, 可以看出焊点未
开裂的结果要比焊点开裂的
结果轴向承受了更多的压
力, 也就 是 说 吸 收 了 更 多 的
焊点强度达到要求和仅达到 40% 要求的薄壁梁碰撞 的网格变形时序结果如图 4a 和图 4b 所示。 焊点强度达到 要求的一组变形结果显示梁板和腹板首先同时在碰撞端发 生局部屈曲, 进而向另一端扩展, 呈现波纹管式的溃缩模 式。计算结果显示在碰撞过程中, 没有焊点开裂。在焊点的 凸缘处, 梁板和腹板同向屈曲。
Ξ 收稿日期: 1999204226 作者简介: 薛 量 (1973- ) , 男 (汉族) , 上海交通大学机械工程学院博士研究生
第2期
薛 量等: 汽车碰撞仿真中的连接失效模拟
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体方式。
(1) 无失效约束模型: 耦合至少两个节点的一个或多 个平移自由度, 转动自由度不能耦合, 不带失效条件。 该方 法可用于描述各种连接方式。
(1)
式中 sn 为杆单元所能承受的极限轴向力。 达到该失效准
则, 则判定杆单元失效, 不再施加约束条件。
图 1 铆钉的物理模型和用杆单元模拟铆钉连接示意图 (3) 焊点失效行为的模拟: 焊点可用带失效条件的无质量梁
单元来模拟, 耦合全部三个平移 和三个转动自由度。 该方法是目
前用于模拟点焊最成功的方式。
汽车碰撞的实验研究表明, 这些连接方式的失效行为 对整车的碰撞性能起着重要的作用。 焊接点的失效与否影 响着车身各部件的动力学关系。 在汽车碰撞的有限元仿真 建模中, 连接方式的模拟在建立整车碰撞模型中是十分重 要的一环。
对于汽车碰撞的数值分析来说, 一个简单有效的连接 模型极为重要。一个三维的焊点、铆钉或螺栓对于整车研究 来说太细致了, 而且研究单个焊点、铆接或螺栓的失效模式 也不在抗撞性研究的范围之内。然而在数值分析中, 这些连 接方式起的约束作用则必须引入到约束方程中, 在整车模 型中也必须建立这样的约束条件来连接不同的结构件以传 递约束力。 随着约束力的逐渐增大, 连接方式会最终失效。 连接方式的承载特性对于结构的碰撞特性和失效模式影响 极大。
2 点焊连接薄壁梁碰撞性能的模拟 本文以一个点焊连接的闭口帽型截面的薄壁梁的碰撞
特性分析来说明焊点模拟及其失效对薄壁梁的碰撞性能的 影响。这种薄壁梁是典型的车身结构, 车身的纵梁结构就是 这一类薄壁梁。在汽车发生正面或追尾碰撞时, 纵梁结构发 生溃缩和弯曲变形, 吸收了大多数的碰撞能量。
在整个梁的轴向每侧布置 14 个焊点, 在有限元模型中 在焊点位置的对应节点建立无质量梁模型来模拟焊点约 束。点焊从工艺上来看属于压力焊中的电阻焊, 其工艺特点 决定了焊接接头的强度达不到母材的性能指标。 国外有些 文献根据焊点熔核的直径来估算焊点的抗拉抗剪强度极 限, 这种方法估算出来的强度极限比焊点的实际情况要高。 实际点焊接头的拉伸强度及抗剪强度要低, 对于钢来说, 拉 伸强度约为抗剪强度的 60～ 75%。这是因为在点焊接头在 受到拉伸时, 熔核边缘将产生极为严重的应力集中和拉力 垂直作用于柱状晶相碰的薄弱界面上。
(2) 铆钉失效行为的模拟: 铆钉连接的力学模型如图 1 所示。铆钉可通过一种杆单元来模拟。耦合对应节点的全部
三个平移自由度, 带失效条件。 杆单元耦合平移自由度, 转 动自由度不加约束, 也就量说杆单元的两点与部件之间考 虑为铰约束。 杆单元仅传递轴向力 f n, 基于力的失效准则 为
f n Ε sn
sn
ss
(2)
式中 sn 和 ss 分别为焊点所能承受的极限轴向拉力和极限
剪切力, 对于轴向力仅轴向拉力会引起失效, 轴向压力对失
效无影响。 一旦达到失效准则, 则判定梁单元失效, 施加在
两个部件上的约束力的物理模型和无质量梁单元模拟焊接示意图 1. 2 节点固连表面
本文描述了连接方式的模拟方法, 并讨论了各种不同 处理方式的机理, 着重分析了碰撞仿真中的焊点处理。通过 一个典型的薄壁梁结构的碰撞分析中点焊处理的实例, 讨 论了连接失效对碰撞性能的影响。
1 连接方式的模拟 从力学表现来看, 点焊和铆接有着不同的特点。焊点连
接的两个不同部件, 可以传递拉 压力和剪切力, 随着载荷 的增大, 焊点和 或部件在拉剪两个方向发生塑性变形, 当 塑性变形超出了失效应变, 焊点就断裂失效。 一般来说, 铆 钉连接是一种松连接, 在小变形范围内无法传递力和力矩。 在大变形时, 对应部件间的力主要通过铆钉本身的材质来 传递。
能量。 计算结果表明在位移 达 到 200mm 以 内 的 平 均 轴 向压力焊点未开裂的为 51.
图 7 两种焊点强度下的 位移2轴向压力曲线
90sKN , 而焊点开裂的只有 45. 78KN , 比未开裂的情况要 低 12%。
3 结束语 本文描述了汽车碰撞仿真中的连接方式模拟, 并分析
了各种连接方式的力学模型和失效条件。 本文通过薄壁梁 碰撞性能的分析给出了焊点失效对碰撞性能的影响的数值 分析结果, 结果表明焊点的强度对薄壁梁结构的折曲模式 有很大影响, 其吸能性能随焊点的失效而降低。
从图 4b 的结果可以看出, 由于焊点强度过低而导致了 一种和图 4a 完全不同的溃缩模式。 这时, 焊点在碰撞初期 就开裂, 计算结果显示所以焊点全部开裂。梁板的变形结果 与图 4a 类似, 腹板由于焊点开裂, 失去约束作用而未出现
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机械科学与技术
第 19 卷
波纹管模态, 仅仅是向腹面卷曲。仿真结果还表明焊点开裂 是对应节点之间的拉剪共同作用的结果。
定义约束的第三种方法是在不同节点之间定义一种称 为节点刚体的约束。节点刚体可由两个或多个节点组成。节 点刚体约束方法用刚体运动方程来描述点的运动。 对应节 点的位置和方向在运动中并不改变, 因此, 节点的转动能被 耦合进来。
连接方式的失效可以是脆性的或塑性的, 可单独建立 脆性或塑性的失效条件。 满足任一失效条件, 则判定失效。
本文所研究薄壁梁的梁板和 3 腹板的 板 厚 均 为 1. 5mm , 根据 HB 5282284 结构钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质 量检验标准, 该厚度焊点的极限剪切承载能力 S s= 5. 6KN。 极限抗拉承载能力以 70% 的极限剪切承载能力计, S n = 3. 92KN。
为了研究焊点强度对薄壁梁结构的碰撞特性的影响, 本文针对焊点强度达到 HB 5282284 要求的薄壁梁和焊点 强度没有达到要求 (只有要求的 40% ) 的薄壁梁进行碰撞 性能分析。焊点模型采用无质量梁单元。考虑到薄壁梁的折 线处较大, 吸收的碰撞能量也较多, 因此折线处网格划分较 密, 中部则较疏。
[ 2 ] O hkubo Y, et al. M ean C ru sh ing Strength of C lo sed2H at Section M em bers[R ]. SA E T ran saction, p ap er 740040
通过基于力的失效准则或基于连
接节点的相邻单元的塑性应变极 限可以定义梁单元的失效。 这两 种方法分别称为脆性失效准则
图 2 焊点的脆性 失效条件
(图 2) 和塑性失效准则。 梁单元可以描述点焊传递轴向力 f n 和剪切力 f s 和扭矩。
基于力的失效准则为
〔m ax (f n, 0) 〕n + 〔 f s 〕m Ε 1
这两种情况下薄壁梁吸能情况也截然不同。 梁板和腹 板的能量吸收比例在焊点未开裂的情况下和焊点开裂的情 况下也有很大不同。 表 1 列出这两种情况的差别。
表 1 薄壁梁溃缩前 200mm 变形能研究
焊点未开裂
焊点开裂
压缩 200mm 所需时间 (m s)
19. 5
18. 8
梁板内能 (J )
8067. 6
根据研究目的的不同, 有两种模拟连接方式的方法, 第一种方法: 在不同部件的对应节点间定义约束方程。 具体说来可有三种不同的实现方式: ① 节点约束; ② 节点 固连表面; ③ 节点刚体约束。 为了模拟连接方式的失效, 需要建立某种约束方程的 失效准则。 只要传递的力不超过失效准则, 则维持约束方 程。 一旦达到失效准则, 则认为发生失效, 不再施加约束方 程。 第二种方法: 在结构的不同部件上的对应节点之间定 义非线性的无质量梁, 称为离散梁单元法。使用离散梁单元 的优点在于可描述连接方式失效后的行为, 也就是在达到 失效准则后, 连接方式的承载能力并不立即消失。例如材料 在超出屈服极限后在失效前仍可有塑性变形, 由于这些不 可逆的变形也吸收了能量, 因此对于能量分析十分重要。该 方法主要用于描述铆钉的失效。铆钉在断裂前, 连接方式的 载荷2位移变形曲线则可能是严重非线性的。 本文主要讨论第一种方法。 1. 1 节点约束法 理想化的描述连接方式的最简单的数学方法是节点约 束法。将不同部件上节点的一个或多个自由耦合起来。这种 方法要通过节点间隔的相对位置矢量定义一个局部坐标, 因此不允许节点重合。 节点约束的方法又分为以下三种具
[ 参考文献 ]
[ 1 ] W ierzb ick T , et al. A Tw o Fo lding E lem en ts M odel of P rog ressive C ru sh ing of T ubes[J ]. In t. J. So lid s Structu res, 1992, 29 (24) : 3269～ 3288
8217. 7
腹板内能 (J )
1940. 2
577. 5
梁 腹板内能比
4. 16
14. 23
由此可见, 焊点开裂导致了梁板吸收能量的大辐下降。
图 4 薄壁梁溃缩模式 图 5 的曲线表示某个焊点对应的两个节点在碰撞过程 中的厚向位移的变化。 可以看出在 14m s 后两节点之间的 相对运动的速度突然加大。 计算结果显示在 14. 253m s 时 刻, 节点 231 和节点 2610 之间的焊点开裂。开裂瞬时, 焊点 轴向拉力为 1. 785KN , 切向剪力为 1. 948KN。 对应两节点 之间的直线距离 (如图 6 所示) 说明了焊点开裂的情况。
关 键 词: 碰撞; 仿真; 连接失效; 吸能特性 中图分类号: T P 391. 9 文献标识码: A
引 言 现代轿车的承载式车身普遍采用点焊接技术来连接车
身的覆盖件, 同时辅以缝焊, 再加上铆钉和螺栓等连接件连 接车身的各个零部件。 例如一辆上海大众汽车有限公司生 产的桑塔纳轿车不计外协件有 47, 430 个焊接点。 航空、航 天器也采用这些连接方式来连接。 这些连接方式是现代机 械制造技术中的一个重要环节。
(上海交通大学机械工程学院, 上海 20030)
薛 量
摘 要: 描述了汽车碰撞仿真研究中连接方式的模拟方法, 讨论了各种连接方式的不同 约束条件和失效准则。本文通过一个典型的闭口帽型截面的薄壁梁在轴向碰撞载荷 下的屈曲模态给出了不同强度的连接方式所产生的不同溃缩模式, 进而分析了连接 失效对载荷2位移曲线和碰撞吸能特性的影响, 为利用有限元仿真进行碰撞结构设 计提供了依据。
第 19 卷 第 2 期 2000 年 3 月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IEN CE AND T ECHNOLO GY
文章编号: 100328728 (2000) 0220046203
V o l. 19 N o. 2 M a r 2000 Ξ
汽车碰撞仿真中的连接失效模拟
薛 量, 姜正旭, 林忠钦
该方法定义滑移界面的一个部件上的一些节点固连到 另一个结构件的表面。该节点的平移和 或转动自由度和对 于表面接触点的运动相耦合。 通过该种固连可传递 f n 和 f s, 但不可以传递力矩。在失效后, 只需检查接触条件, 两部 件可独立运动, 该方法最大的优点在于相邻的两个部件可
各自划分网格。 由于是一个部件上的节点和另一个部件上 的单元上的接触点之间的固连, 所有定义连接方式的两个 相邻节点的几何位置不必对应。 1. 3 节点刚体约束