整車焊點(diǎn)失效預(yù)測的研究及應(yīng)用

季鈺榮，孫曉嶼

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

前言

自汽車裝配線誕生之日起，電阻點(diǎn)焊就是制造流水線上不可或缺的重要部分[1]。電阻點(diǎn)焊由于具有質(zhì)量輕、靜強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，承擔(dān)了75%以上的車身裝配工作[2]。汽車的白車身結(jié)構(gòu)幾乎都由金屬薄壁件通過電阻點(diǎn)焊連接而成，因此焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度十分值得關(guān)注。尤其是在碰撞過程中，當(dāng)整車結(jié)構(gòu)受到外界強(qiáng)大載荷沖擊時(shí)，部件搭接處的焊點(diǎn)失效會(huì)直接影響整車結(jié)構(gòu)的完整性，從而破壞部件的吸能特性甚至碰撞能量的傳遞路徑[3-4]，最終導(dǎo)致乘員受到傷害。為避免此類情況發(fā)生，提高整車耐撞性，則應(yīng)在整車碰撞安全開發(fā)過程中，將碰撞引起的焊點(diǎn)失效考慮在內(nèi)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車碰撞安全研究越來越多地采取CAE仿真手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。相比傳統(tǒng)的碰撞試驗(yàn)，仿真能有效節(jié)省開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。因此，如何在CAE仿真階段預(yù)測焊點(diǎn)失效情況，提高整車耐撞性就成了研究的重點(diǎn)。

目前，國內(nèi)研究人員對于不同類型焊點(diǎn)單元對仿真精度的影響做了大量的研究，然而，針對焊點(diǎn)失效判據(jù)的建立和獲取的研究較少，因此，焊點(diǎn)的失效模擬一直是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的研究。國外對碰撞中焊點(diǎn)失效模擬的研究，尚未有明確的流程與方法，因此在整車模擬過程對焊點(diǎn)進(jìn)行失效預(yù)測和優(yōu)化布置具有一定難度。本文中將圍繞仿真中的焊點(diǎn)失效預(yù)測進(jìn)行研究，將焊點(diǎn)失效應(yīng)用于整車碰撞，從而為本土汽車企業(yè)的車輛安全開發(fā)提供參考。

1 焊點(diǎn)失效參數(shù)的獲取

在碰撞模擬分析軟件中，LS-DYNA軟件對焊點(diǎn)建模和焊點(diǎn)失效模擬方面具有十分強(qiáng)大的功能，可反映出焊點(diǎn)在真實(shí)碰撞中的受力情況。本文中將根據(jù)已有的失效準(zhǔn)則，分析準(zhǔn)則中各參數(shù)的意義，通過試驗(yàn)手段，計(jì)算焊點(diǎn)失效參數(shù)，并獲得有效適用的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則。

1.1 焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則

焊點(diǎn)作為連接鈑金件的重要組成，碰撞中隨著鈑金件的變形，焊點(diǎn)受到的并不是單一載荷的作用，而是一種復(fù)合載荷，包括拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩，如圖1所示。這些載荷的綜合作用會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)連接功能或承載功能的失效。

根據(jù)焊點(diǎn)的實(shí)際受力情況，將復(fù)合載荷的作用分解為多個(gè)單向載荷的組合作用，構(gòu)建基于力的焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則：

式中：NRRF為焊點(diǎn)能承受的R向最大軸向拉力；NRSF為焊點(diǎn)能承受的S向最大剪切力；NRTF為焊點(diǎn)能承受的T向最大剪切力；MRRF為焊點(diǎn)能承受的最大扭矩；MSSF為焊點(diǎn)能承受的S向最大彎矩；MTTF為焊點(diǎn)能承受的T向最大彎矩；NRR，NRS，NRT，MRR，MSS和MTT均為仿真軟件通過可靠的點(diǎn)焊模型計(jì)算而來的實(shí)際焊點(diǎn)受力；FC為焊點(diǎn)失效判據(jù)值，當(dāng)FC≥1時(shí)，焊點(diǎn)會(huì)被判定為失效，并直接刪除。

1.2 焊點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)對失效準(zhǔn)則中參數(shù)的分析，基于力的焊點(diǎn)失效判據(jù)將單個(gè)焊點(diǎn)的復(fù)合受力模式分解為拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩。不同的載荷類型選用對應(yīng)試驗(yàn)方式，通過十字拉伸試驗(yàn)獲得焊點(diǎn)的軸向最大失效力，一字剪切試驗(yàn)獲得焊點(diǎn)的切向最大失效力，折邊剝離試驗(yàn)獲得最大剝離彎矩，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)獲得最大平面扭矩，各試驗(yàn)方式如圖2所示。本文中選取1.6mm厚的U1500熱成型鋼板與1.0mm厚的B250P1的搭接組合作為失效判據(jù)有效性的研究對象，根據(jù)不同的工況對該搭接組合進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，所獲得的焊點(diǎn)失效參數(shù)如表1所示。

圖2 焊點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)

表1 1.6mm_U1500與1.0mm_B250P1組合的焊點(diǎn)失效參數(shù)

2 焊點(diǎn)仿真模型的建立

2.1 焊點(diǎn)單元的模擬方法

對汽車碰撞仿真而言，點(diǎn)焊連接的有限元模擬經(jīng)歷了公用節(jié)點(diǎn)、無質(zhì)量剛性桿、彈簧單元、可變形梁單元和實(shí)體單元的演變過程。隨著焊點(diǎn)單元類型的改變，汽車碰撞仿真的焊點(diǎn)模擬精度不斷提高[5]。對于焊點(diǎn)仿真模型，不僅要體現(xiàn)焊點(diǎn)的真實(shí)受力和失效情況，還要具有建模方便、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的無質(zhì)量剛性梁通過耦合相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度來模擬焊點(diǎn)，要求焊點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)相連接，所以剛性梁無法模擬焊點(diǎn)所受的彎矩，且在建模時(shí)，要求相對應(yīng)的薄板網(wǎng)格在焊點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)必須對齊，使剛性梁能夠垂直于所連接的面，若存在一定夾角，則會(huì)對焊點(diǎn)受力的計(jì)算有影響[6-8]，即無法反映焊點(diǎn)的真實(shí)受力情況。因此，本文中不考慮該種建模方法。

現(xiàn)在較為常用的是Beam梁單元和實(shí)體單元[9]。研究指出，與 Beam梁單元(如圖3(a))相比，實(shí)體單元能更準(zhǔn)確地反映焊點(diǎn)傳遞載荷的作用，模擬結(jié)果更接近實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果[10-11]。

實(shí)體單元采用多個(gè)實(shí)體單元的集合來模擬一個(gè)焊點(diǎn)單元，根據(jù)單元數(shù)的不同，分為如圖3(b)～圖3(f)所示的5種，焊點(diǎn)通過多個(gè)單元上的接觸與板材連接，這種穩(wěn)固的連接方法能捕捉焊點(diǎn)位置的變形情況和所受載荷，準(zhǔn)確體現(xiàn)焊點(diǎn)與板材在變形過程中的實(shí)際情況[12]。對比發(fā)現(xiàn)1HEX和4HEX的焊點(diǎn)單元過于粗糙，精度不如8HEX，但8個(gè)以上單元的實(shí)體集合會(huì)急劇增加計(jì)算時(shí)間，精度卻與8HEX相近[13]。因此，選擇8HEX單元對焊點(diǎn)失效進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)作對比分析。

2.2 多焊點(diǎn)子系統(tǒng)部件驗(yàn)證

為驗(yàn)證焊點(diǎn)失效判據(jù)的有效性，本文中設(shè)計(jì)了一種復(fù)合作用下多焊點(diǎn)失效特性測試裝置，焊點(diǎn)承受類似整車焊點(diǎn)的復(fù)合載荷，并將U1500與B250P1組合的焊點(diǎn)失效參數(shù)添加到失效判據(jù)中，如圖4所示。該裝置左右各布置5個(gè)焊點(diǎn)，部件中間受到一個(gè)向下的載荷，直至焊點(diǎn)產(chǎn)生失效行為。該部件左側(cè)的1-5號(hào)焊點(diǎn)主要承受剪切力；右側(cè)的6-10號(hào)焊點(diǎn)主要受拉伸力和剝離彎矩。焊點(diǎn)均由8HEX單元模擬，焊點(diǎn)材料采用?MAT_SPOTWELD_DAMAGE_FAILURE，添加焊點(diǎn)失效參數(shù)，完善失效判據(jù)。焊點(diǎn)與板材間的接觸設(shè)置為?CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE。

圖4 多焊點(diǎn)子系統(tǒng)部件

仿真與試驗(yàn)中的焊點(diǎn)失效情況對比如圖5所示，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)失效均發(fā)生在右側(cè)垂直布置的焊點(diǎn)處，同時(shí)由于中間布置的U1500熱成型板材強(qiáng)度較高，右側(cè)與其搭接的板材受到焊點(diǎn)拉力，向外突出變形，左側(cè)水平布置的焊點(diǎn)雖未被拉脫，但試驗(yàn)與仿真中U1500板材都發(fā)生了翹曲變形。

圖6為部件壓潰力仿真與試驗(yàn)對比。由圖可見，仿真中焊點(diǎn)失效時(shí)的壓潰距離與載荷均與試驗(yàn)非常相近。差別為26mm處壓潰量在仿真中出現(xiàn)了一個(gè)載荷尖峰，而28mm后壓潰力急劇減小，相比之下試驗(yàn)中的壓潰力的下降是一個(gè)較為平緩的過程，這是由于試驗(yàn)中焊點(diǎn)發(fā)生了紐扣剝離失效，熱影響區(qū)的組織在外力作用下產(chǎn)生了塑性變形，而緩慢下降的過程正是熱影響區(qū)變形的過程。但在仿真中焊點(diǎn)單元通過節(jié)點(diǎn)接觸與板材連接，力不斷地積聚在節(jié)點(diǎn)上，產(chǎn)生峰值，當(dāng)失效判據(jù)值達(dá)到1時(shí)，焊點(diǎn)立即被刪除，因此壓潰力急劇下降。

圖5 多焊點(diǎn)子系統(tǒng)部件仿真與試驗(yàn)對比

圖6 部件壓潰力的仿真與試驗(yàn)對比

多焊點(diǎn)部件的仿真結(jié)果中焊點(diǎn)的失效位置、失效數(shù)量、最大壓潰力和壓潰距離均與試驗(yàn)結(jié)果相近，表明該基于力的焊點(diǎn)失效判據(jù)能有效預(yù)測焊點(diǎn)的失效現(xiàn)象。

3 整車碰撞仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

在車輛安全設(shè)計(jì)中，整車級(jí)別的焊點(diǎn)失效預(yù)測是最直接、最有效的車身焊點(diǎn)設(shè)計(jì)可行性預(yù)測方法。本文中選取在40%重疊正面偏置碰撞的整車模型上來驗(yàn)證焊點(diǎn)失效判據(jù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性。因?yàn)樵摴r下整車以高達(dá)64km/h的速度與可變形壁障發(fā)生偏置碰撞。如圖7所示，碰撞過程中車輛通過第1級(jí)變形區(qū)與第2級(jí)相容區(qū)的結(jié)構(gòu)發(fā)生有效變形進(jìn)行吸能，再通過第3級(jí)乘員保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)的有效支撐來減少前艙結(jié)構(gòu)的侵入量，降低前圍侵入對乘員的傷害風(fēng)險(xiǎn)，提高整車安全性；但若乘員保護(hù)區(qū)內(nèi)的焊點(diǎn)發(fā)生大量失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)異常變形將增加乘員傷害風(fēng)險(xiǎn)。因此設(shè)計(jì)初期準(zhǔn)確預(yù)測關(guān)鍵區(qū)域的焊點(diǎn)失效情況將有助于提高車輛的安全性。

圖7 40%重疊正面偏置碰撞傳力路徑

但整車白車身上焊點(diǎn)數(shù)量高達(dá)4 000～6 000個(gè)，焊點(diǎn)搭接組合也多達(dá)幾十種，若對每個(gè)焊點(diǎn)均添加失效判據(jù)，不僅會(huì)增加建模時(shí)間，浪費(fèi)計(jì)算資源，并且非關(guān)鍵傳力路徑上的焊點(diǎn)不具有失效風(fēng)險(xiǎn)，添加焊點(diǎn)失效反而顯得復(fù)雜冗余。本文中選取前撞傳力路徑上的關(guān)鍵區(qū)域(如A柱、前圍板、斜撐板等)在整車CAE中進(jìn)行焊點(diǎn)失效預(yù)測，并與實(shí)車碰撞結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

3.1 焊點(diǎn)失效情況

在傳力路徑上，斜撐板是增強(qiáng)前圍板結(jié)構(gòu)剛度、減少前圍侵入的重要零件。若連接兩者的焊點(diǎn)發(fā)生失效，則會(huì)降低三角斜撐區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，引起前圍結(jié)構(gòu)侵入量的增加，導(dǎo)致乘員受傷害風(fēng)險(xiǎn)增加。仿真與試驗(yàn)對比如圖8所示。由圖可見，添加焊點(diǎn)失效的仿真模型準(zhǔn)確預(yù)測出斜撐板與前圍板搭接處的焊點(diǎn)失效情況，失效均發(fā)生在斜撐板與前圍連接的右側(cè)，該處的焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)得到了準(zhǔn)確預(yù)測。

在控制整個(gè)前艙侵入量時(shí)，前圍板與A柱搭接處的焊點(diǎn)失效同樣需要關(guān)注。若該搭接處的焊點(diǎn)產(chǎn)生失效，則會(huì)嚴(yán)重影響前艙的完整性，導(dǎo)致傳力路徑無法按設(shè)計(jì)預(yù)期傳遞載荷。在碰撞過程中，未吸收完全的碰撞能量被傳遞到前圍板，前圍板的加速度將大大地超過了A柱，引起此處的焊點(diǎn)連接失效，仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖9和圖10所示。由圖可見，不論是前圍板的變形情況，還是焊點(diǎn)失效的數(shù)量，仿真均有效預(yù)測出該處的焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 斜撐板與前圍板搭接處焊點(diǎn)失效情況

圖9 前圍板上端與A柱搭接處焊點(diǎn)失效情況

圖10 前圍板下端與A柱搭接處焊點(diǎn)失效情況

3.2 縱梁變形模式

在40%重疊正面偏置碰撞中，工程師會(huì)根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的縱梁變形模式，起到合理傳遞、分配和吸收能量的作用。因此在整車物理試驗(yàn)中，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符的縱梁變形模式能極大地提高整車的安全性能。

圖11為整車CAE與試驗(yàn)縱梁的變形模式對比。其中圖11(b)為設(shè)計(jì)預(yù)期變形模式，此時(shí)默認(rèn)無焊點(diǎn)失效。但由于試驗(yàn)中前艙關(guān)鍵區(qū)域出現(xiàn)了大量焊點(diǎn)失效情況，縱梁變形模式與預(yù)期不符。而圖11(c)添加焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則的CAE模型預(yù)測出的縱梁變形模式與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖11 縱梁的變形模式

綜上所述，基于本文中選用的整車工況，考慮焊點(diǎn)失效的CAE模型準(zhǔn)確預(yù)測出縱梁變形模式、焊點(diǎn)失效位置和數(shù)量，與試驗(yàn)結(jié)果對比顯示焊點(diǎn)失效的仿真精度達(dá)87%，后期基于此預(yù)測結(jié)果進(jìn)行焊點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將能減少焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)，提高整車安全性能。因此該焊點(diǎn)失效預(yù)測方法能有效預(yù)測整車設(shè)計(jì)中的焊點(diǎn)開裂風(fēng)險(xiǎn)，為整車安全設(shè)計(jì)提供分析手段。

4 結(jié)論

在模擬整車碰撞過程中，焊點(diǎn)失效研究是被動(dòng)安全設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，針對仿真中的焊點(diǎn)失效模擬進(jìn)行研究，得出了以下結(jié)論。

(1)為模擬焊點(diǎn)在仿真模型中的失效情況，對焊點(diǎn)失效準(zhǔn)則進(jìn)行分析，定義對應(yīng)參數(shù)的獲取方法，并得到可用于仿真的焊點(diǎn)失效判據(jù)。

(2)設(shè)計(jì)一個(gè)多焊點(diǎn)子系統(tǒng)部件，對所獲得的焊點(diǎn)失效判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。采用8HEX單元模擬焊點(diǎn)，添加焊點(diǎn)失效判據(jù)的子系統(tǒng)壓潰仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，表明該種焊點(diǎn)失效判據(jù)合理有效。

(3)基于正面偏置碰撞工況CAE模型，對傳力關(guān)鍵區(qū)域添加焊點(diǎn)失效判據(jù)，并與整車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行對比。不論是整車的縱梁變形模式，還是焊點(diǎn)的失效情況均與試驗(yàn)相近，焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)得到準(zhǔn)確預(yù)測，為提高整車安全性能開發(fā)提供分析手段。