前纵梁碰撞模拟中的焊点建模方法比较

前纵梁碰撞模拟中的焊点建模方法比较
蒋小晴;杨济匡;肖志;叶映台;郭杰
【摘要】研究了汽车前纵梁碰撞有限元分析中焊点的5种建模方式对仿真精度的影响.这5种焊点建模方法:刚性化节点模型、无质量刚性杆模型、可变形梁单元模型、实体单元模型和弹簧单元模型.在Ls-Dyna通用非线性动力学软件平台上,建立对应的焊点模型,根据某前纵梁台车碰撞实验,对比分析这5种方法在模拟焊点失效响应、前纵梁的动态响应、建模的难度,点焊模拟连接、载荷力的优点和不足.结果表明:能否模拟失效对仿真精度有较大影响,在前纵梁碰撞模拟计算中模拟精度较高的焊点模型依次为:实体单元模型、可变形梁单元模型和弹簧单元模型.
【期刊名称】《汽车安全与节能学报》
【年(卷),期】2010(001)004
【总页数】5页(P327-331)
【关键词】汽车碰撞;焊点建模;焊点失效;仿真精度
【作者】蒋小晴;杨济匡;肖志;叶映台;郭杰
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】U466
电阻点焊是汽车车身上最主要的连接方式，在汽车碰撞有限元模拟计算中，如何对点焊进行正确的模拟是十分重要的一环，也一直是仿真中的一大难点。

要真实的模拟焊点在碰撞中的动态响应，就要准确的模拟点焊的连接关系、载荷力以及焊接的
失效[1]。

前人对点焊模拟方式开展了大量研究：最初研究者们使用公用节点法和公用单元法，随后使用在对应节点间定义约束方程的方法，目前较多应用可变形梁单元，近年来有人提出了弹簧单元和实体单元来模拟点焊的连接[2-3]。

不同的分析模式下，各
种焊点失效及受力情况并不相同，文献[4]认为焊点在实际碰撞失效过程中可能会
承受拉伸剪力、法向拉拔力、剥离弯矩和平面转矩的合成载荷。

而在模态分析和疲劳失效分析中则主要考虑焊点所受到的拉、剪应力[1,5]。

因而各焊点模型适用的
模拟载荷条件也不尽相同[6]。

为了研究在碰撞条件下各种焊点模型对模拟精度的影响，本文选取目前广泛应用的5种焊点建模方法，它们分别为：刚性化节点模型、无质量刚性杆模型、可变形梁单元模型、实体单元模型和弹簧单元模型，基于美国仿真分析软件公司
LSTC( Livermore Software Technology Corp.)所提供的Ls-Dyna通用非线性动力学软件平台，建立对应焊点模型的前纵梁碰撞模型，通过与实际的前纵梁台车碰撞实验对比，分析各种建模方法在模拟焊点失效时刻、前纵梁的动态响应、建模的难度、点焊的连接关系及载荷力的优点和不足。

1.1 焊点结构
在焊接过程中的由于受高温和夹持力的作用下，焊接区域因材料特性发生变化对应的分为母材区、热影响区和焊核区[7-8]（图1）。

对使用点焊焊接的材料为
DP600，厚度为1.8 mm的板材进行拉拔实验得到其法向的平均受力为15 kN （图2）。

法向受力约为切向受力的74% [9]，取21 kN。

本文验证实验选取汽车前碰撞中最重要的吸能部件前纵梁进行台车实验。

截取拼焊结构的前纵梁前端长度为465 mm。

其中纵梁前端材料为B340/DP590，前端长
度为250 mm（纵梁黄色段），厚度为1.8 mm；纵梁后端材料为SAPH440后端厚度为2.2 mm，焊点间距为约为30 mm（图3）。

为确保实验的安全，实验中
加入了2个辅助吸能的圆筒形钢管，辅助吸能筒厚度为2 mm，材料为B180H1，长度为280 mm。

台车质量配重至1020 kg，台车碰撞速度设定为35 km/h。

根
据纵梁台车试验要求，在有限元软件Hypermesh中建立仿真模型（图3）。

模型网格大小基准为8 mm，建立纵梁碰撞的仿真模型，边界条件与试验条件一致。

1.2 焊点模型的建立
前纵梁上部翻边处焊点的位置如图4所示。

基于LS-DYNA软件[10]，选用五种目前常用的焊点建模方法来模拟前纵梁台车实验中的焊点，它们分别为：
1）刚性化节点模型 (Rigid bar)
刚性化节点模型(Rigid bar)在Ls-Dyna中用关键字
*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY来定义。

所有连接的节点的自由度均被
耦合，形成一个刚体。

在统一的有限元模型下，这种方法无法精确定义焊点位置，且因无法定义失效准则，无法模拟焊点失效。

2）无质量刚性杆模型 (Spotweld)
在Ls-Dyna中，无质量刚性杆模型通过关键字*CONSTRAINED_SPOTWELD来
定义。

在纵梁连接的翻边处，SPOTWELD直接连接2个相对应的单元节点，相互连接的两个节点在被约束的自由度方向具有相同的位移。

Spotweld单元无需定义材料和属性。

可以通过定义。

刚性杆所承受的轴向力破坏极限值和剪切力破坏极限值sN、ss来定义失效，在这里分别取21 kN和15 kN。

指数m＝2，n＝2。

当
满足式（1）时，焊点失效，约束解除。

3）可变形梁单元模型 (Beam)
此种模型中用梁单元连接两层壳单元，力和力矩通过梁单元来传递，且需要定义梁的材料属性和梁单元的直径大小。

焊点直径按实验中的6 mm定义。

在连接上采
用节点固连表面的方法，建立了焊接的关系。

定义梁单元的失效可以通过式（2）
进行，其中梁单元所承受的轴向力破坏极限值和剪切力破坏极限值NrrF、NrsF分别为实验中的21 kN和15 kN。

其它失效参数暂不考虑。

4）实体单元模型（Solid element）
通过定义体单元来模拟焊点，体单元节点贴合在壳单元表面（见图5）。

通过定义面对面的粘连接触连接到纵梁的中位面上。

其力和力矩都通过体单元来传递。

实体单元材料与可变形梁单元相同为MAT100。

体单元的特点在于可传递扭力，故体
单元失效公式定义为
其中： fN为焊点处的法向载荷，并且只考虑拉伸载荷；FN为焊点失效的法向极
限载荷； fs为焊点处的剪切载荷； Fs为焊点失效的切向极限载荷； mt为焊点处的扭矩；Mt为焊点失效的极限扭矩值。

根据实验定义FN ＝21 kN，Fs＝15 kN，Mt设定为35 MN [3]。

5）弹簧单元模型 (Spring)
弹簧单元采用文献[2]中使用的方法：采用两节点弹簧单元模拟焊点，使用节点固
连表面的方法使弹簧单元的节点连接到壳单元上。

通过极限实验法除去实验中的沿边变形等的影响，得到实验中焊点的真实载荷与拉伸位移的关系（见图6）。

然
后定义弹簧单元的刚度。

弹簧单元的刚度用力–位移的曲线来表示，根据刚度曲线，若弹簧拉伸长度超过5.4 mm，则认为其失效。

从建模过程来比较，刚性化节点模型和无质量刚性杆模型建模较为简单。

但不能精确定位焊点的位置。

可变形梁单元模型、实体单元模型和弹簧单元模型需定义材料和属性，实体单元建模较为困难。

本文将各焊点模型的仿真结果与进行的纵梁台车碰撞试验结果进行对比分析来衡量各种焊点模拟的精度。

主要通过纵梁变形模式、纵梁压馈长度、焊点失效时间和碰撞加速度曲线进行比较。

压馈变形是碰撞中最直观的动态响应，比较主要从纵梁馈缩的折皱、纵梁左板的变
形特点和纵梁左侧护板的变形3处来进行，即图7a中所示的3处变形。

如图7所示，可变形梁单元焊点模型、弹簧单元焊点模型和实体单元焊点模型能较好模拟纵梁馈缩的折皱（1处）；能较好模拟纵梁左板的变形（2#处）的有实体单元焊点
模型和可变形梁单元焊点模型；能较好模拟纵梁左侧护板的变形（3#处）的有可
变形梁单元焊点模型、实体单元焊点模型。

观察试验中纵梁的最后一个未完成的馈缩，发现弹簧单元焊点模型和可变形梁单元焊点模型能较好的反映此处的变形。

从上面的分析情况来看，各种焊点模型都能较好的模拟真实的纵梁变形情况。

其中，最能准确的模拟整个纵梁压馈过程的为实体单元焊点模型和可变形梁单元焊点模型。

这是因为实体焊点最能反映焊点力和力矩的传递。

而无质量刚性杆焊点模型和刚性化节点焊点模型因为不能准确定位焊点位置而效果较差。

表1中列出了纵梁压馈后总长度、拼焊前段压馈后长度和碰撞后纵梁未变形长度，各测量点位置均分布在纵梁上表面对称中心线上。

从表1可知：从纵梁压馈后总长度来看，可变形梁单元模型、实体单元模型弹簧
单元模型有较好的对应；从拼焊前段压馈后长度来看，实体单元模型有较好的对应；从碰撞后纵梁未变形长度来看，弹簧单元模型为157 mm最为接近试验中的162 mm。

从3种变形来说可变形梁单元模型和实体单元模型能较好的反映台车试验的值。

而刚性化节点模型的模拟相似度最差。

在比较的5种焊点中除刚性化节点模型不能模拟焊点失效外其余4种都能以不同
形式模拟焊点的失效焊点失效。

比较焊点失效情况及对应的失效时间可以反映出焊点的受力情况和焊点位置处的动态响应。

由于实验条件的限制，前纵梁台车碰撞实验中没有地面的高速摄相仪。

故只能分析纵梁前段上翻边处的7个焊点。

从表2可知：2#和3#的焊点失效对应的时间相差不大，只有无质量刚性杆模型不能模拟出焊点失效，4#和5#的焊点失效只有可变形梁单元模型和无质量刚性杆模型较为接近，但都不能同时对应。

总之，各种模型都没有很好地模拟纵梁前段上翻
边处的7个焊点的失效状态。

比较而言，可变形梁单元模型比较可信。

图8为实验和各模型的前纵梁碰撞加速度曲线。

通过观察各仿真加速度曲线同实验曲线的对比，可知各曲线在前10 ms都有较好的对应，在10~22 ms，各焊点模拟都没能很准确的拟合实验曲线。

特别是刚性化节点模型和无质量刚性杆模型在此处波动较大。

22 ms时刻为吸能筒开始接触刚性壁，实体单元模型、可变形梁单元模型和弹簧单元模型有较好的拟合。

在26 ms后对应的峰值曲线中，实体单元模型在实验曲线第二个波峰有较好的对应。

总的来说，几种模型的仿真误差都在标准范围内，其中拟合程度最好的为实体单元、可变形梁单元模型和弹簧单元模型。

5种焊点模型的特点见表3。

从表3中可以看到：在前纵梁碰撞模拟计算中模拟精度较高的焊点模型为可变形梁单元模型、实体单元模型和弹簧单元模型，而从建模难易来看，若不考虑焊点位置的精确定位，则刚性化节点模型和无质量刚性杆模型较为容易，实体焊点建模最难。

本文以前纵梁35 km/h台车碰撞试验为基础，研究了前纵梁碰撞有限元分析中焊点的建模方式对仿真精度的影响。

应用Ls-Dyna平台建立了5种不同类型的焊点模型，通过与实验在模型计算时间、建模的难度、变形模式、压馈长度、加速度曲线拟合精度等方面的对比。

系统的分析了各种焊点模型的特点及对精度的影响。

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