基于疲勞分析的車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)焊點布置方案研究

王貴章，薛齊文,2，王剛

（1.大連交通大學(xué) 工程力學(xué)系，遼寧 大連 116028；2.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，車身結(jié)構(gòu)的安全性逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注。而B柱作為汽車車身結(jié)構(gòu)中重要承載部件，一般由高強(qiáng)度鋼通過點焊連接而成，而焊點的存在又會降低母材的使用壽命，因此B柱的使用壽命很大程度上取決于焊點的疲勞壽命。同時，在汽車行駛過程中B柱時刻承受著來自地面的作用力，當(dāng)車輛遭遇側(cè)面碰撞發(fā)生變形時，B柱又能最大程度地維持車身形狀，從而保障車內(nèi)人員的安全。為了保證B柱在汽車服役期間的使用壽命，對B柱焊點疲勞進(jìn)行研究顯得尤為重要。

汽車B柱的焊點布局因車輛制造廠商標(biāo)準(zhǔn)的差異而略有不同，部分廠家對于B柱焊點布局甚至以經(jīng)驗為主導(dǎo)加以布排，顯得不大嚴(yán)謹(jǐn)，使得一些焊點布排往往不太合理，這樣的焊點布排方式使得部分區(qū)域焊點布排過于緊密，冗余焊點數(shù)量過多，而其他一些應(yīng)力相對較大區(qū)域的焊點布排卻過于分散稀疏，這樣將導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，還會使得焊點結(jié)構(gòu)處于危險中。由于點焊設(shè)備價格昂貴，過多的焊點將增加點焊設(shè)備的數(shù)量，這無疑會增加生產(chǎn)成本。如果在設(shè)計初期運用有限元軟件評估焊點的疲勞壽命，就可以對不合理的焊點布局進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以不增加焊點個數(shù)為前提，達(dá)到提高部件焊點疲勞壽命、減少冗余焊點、節(jié)約生產(chǎn)成本的目的，具有一定的工程實際意義。

目前，國內(nèi)外很多研究人員對評估焊點疲勞壽命做了分析。Rupp等[1]提出計算焊點及焊核周圍結(jié)構(gòu)應(yīng)力的方法，并以此理論為基礎(chǔ)對焊點疲勞壽命做出了預(yù)測；Rajai[2]和Sheppard[3]指出，在點焊部件自身結(jié)構(gòu)和載荷均不相同的情況下，依舊能以焊點處周圍母材局部應(yīng)力為計算手段對焊點壽命進(jìn)行合理評估；朱濤等[4]用與母材板垂直的梁單元模擬焊點，基于實測載荷譜來預(yù)測點焊模型的疲勞壽命，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合。謝素明等[5]對列車關(guān)鍵部件處的焊點進(jìn)行有限元分析并對其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為切入點，對列車關(guān)鍵部件焊點的壽命進(jìn)行評估。楊少波等[6]探討焊點疲勞對網(wǎng)格是否敏感展開分析，深度研究網(wǎng)格質(zhì)量對焊點疲勞損傷結(jié)果精度的影響。陳勇[7]以MATLAB為求解工具，結(jié)合全應(yīng)變壽命模型，對只受車頂壓力的車輛B柱進(jìn)行非線性數(shù)值計算，以此來評估焊點壽命，并對焊點布置進(jìn)行優(yōu)化。由此可見，從理論研究到仿真分析，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)給出分析方法，但是上述研究工作很大部分只討論了低壽命焊點出現(xiàn)的位置，并沒有進(jìn)一步從如何提高焊點疲勞壽命、減少冗余焊點個數(shù)的角度優(yōu)化焊點布局，少部分有涉及到焊點布置優(yōu)化問題的在求解焊點壽命過程中計算方法又過于繁瑣，這無疑是加大了讀者的理解難度。

針對以上問題，本文以國內(nèi)某進(jìn)口SUV的B柱結(jié)構(gòu)為例，參考美國的焊接標(biāo)準(zhǔn)對其結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行焊點布排設(shè)計，加密B柱應(yīng)力分布較大區(qū)域內(nèi)的焊點密度，提出了共11種分區(qū)等距焊點布排方案。與前人所做工作不同的是，本文B柱有限元分析是以簡化路面載荷為外載邊界條件，基于Optistruct計算出各方案中焊點處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并結(jié)合ncode進(jìn)行聯(lián)合仿真，對每種方案的焊點進(jìn)行疲勞分析，進(jìn)而找出一種既減少冗余焊點個數(shù)、又提高焊點整體疲勞壽命的最優(yōu)布置方案。分析結(jié)果表明，當(dāng)B柱受到路面載荷時，本文提出的分區(qū)等距焊點布排方法可有效提高B柱焊點的疲勞壽命，本文中軟件間的聯(lián)合仿真也使得計算分析流程更加簡單、便捷。

1 點焊模型建立及新方案提出

以某轎車B柱為例，外板厚0.75 mm，內(nèi)板厚1 mm，焊點直徑3.5 mm。對B柱內(nèi)外板進(jìn)行抽取中面處理，用ACM單元（六面體單元包裹著CBAR單元）模擬焊點，并按照原車實際方案進(jìn)行焊點布置，劃分點焊構(gòu)件網(wǎng)格，構(gòu)建出有限元點焊模型；對B柱進(jìn)行靜力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)其應(yīng)力分布情況提出焊點分區(qū)等距布置新方案。

1.1 原車B柱有限元模型

B柱內(nèi)外板采用殼單元，劃分網(wǎng)格后單元數(shù)為47 377，節(jié)點數(shù)為47 662，焊點單元數(shù)為44；原車B柱焊點分布及有限元模型如圖1和圖2所示。

圖2 B柱有限元模型及網(wǎng)格單元細(xì)節(jié)

1.2 靜力分析

在車輛行駛過程中，B柱受到的載荷情況比較復(fù)雜，本文僅考慮汽車在特定路況行駛時B柱所受到的地面最大作用力，方向為Z軸反方向。根據(jù)某車企提供的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，該車以速度15 km/h空載行駛在某一石子路段，測得B柱下端受到來自地面的最大作用力為512 N，在Optistruct中將其作為靜載邊界條件施加于B柱下端外板邊緣，并約束B柱內(nèi)外板上端頂部全部節(jié)點的6個自由度，進(jìn)行靜力分析，得到的內(nèi)板應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)板應(yīng)力云圖

1.3 焊點布置方案提出

由圖1及圖3可以看出，B柱焊點布置疏密不均，且并沒有按照實際應(yīng)力分布情況合理布置焊點。當(dāng)B柱受到來自垂直于地面方向的作用力時，B柱上端部焊點周圍應(yīng)力較大，由于原方案中上端焊點布置較少，且焊點的整體布排有些零散，因此本文按疏密分區(qū)提出11種單獨加密B柱上端焊點密度的焊點布排方案。B柱上端部分為焊點密集區(qū)域，下端部分為焊點稀疏區(qū)域，在焊點密集區(qū)上取2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、16倍網(wǎng)格單元尺寸的大?。▎卧叽鐬? mm）作為焊點間距，從最上端第1個焊點出發(fā)，依次創(chuàng)建焊點；進(jìn)入焊點稀疏區(qū)后，將焊點間距調(diào)整為密集區(qū)的2倍，即4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、32倍網(wǎng)格單元大小，疏密區(qū)域的界限為B柱內(nèi)板上部平面板件向下部平面三維立體曲率過渡的地方。由于前幾種方案的焊點布置過于密集，不便于清晰地展示焊點布置變化規(guī)律，因此方案間的焊點布置變化示意圖從方案5開始，以方案5和方案11為例，展示了各方案間焊點整體變化規(guī)律，如圖4所示。焊點方案匯總?cè)绫?所示。

表1 布置方案一覽表

圖4 焊點布置變化示意圖

2 焊點疲勞壽命預(yù)估理論

通過計算焊點處結(jié)構(gòu)應(yīng)力，結(jié)合材料疲勞特性，運用Miner法則對焊點壽命進(jìn)行估算。

2.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算

圖5為典型的點焊連接件，點1和點2分別為等效CBAR單元在上下板上的端點。點1、點2處的 力Fx、Fy、Fz及 力 矩Mx、My、Mz按 照 圖 中 坐標(biāo)系計算[8]。

圖5 典型點焊連接件

Rupp等[1]通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，焊點失效位置通常位于焊核周邊區(qū)域，因此對于焊點處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算引入了θ角（沿焊核圓周方向每隔18°取一個點來計算）。

上板點1位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算公式[9]為

下板點2處結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算參照點1，不再重復(fù)描述。

2.2 材料性能的確定

連接板和焊點具有不同的S-N曲線，但二者在應(yīng)力比R=0時的疲勞特性曲線均可用以下公式表示[10]：

式中：SRI1為Y軸截距，b1為斜率，二者均為材料常數(shù)。

在應(yīng)力循環(huán)過程中，平均應(yīng)力敏感因子的影響需要考慮在內(nèi)。應(yīng)力比R≠0的平均應(yīng)力Sm可按式（3）進(jìn)行修正，即對應(yīng)R=0時的等效應(yīng)力幅值S0可表示為

式中，M為平均應(yīng)力敏感因子，通常取0.1。

2.3 焊點損傷累積計算

以Miner法則作為焊點累積疲勞損傷數(shù)值計算的理論依據(jù)，計算公式[11]為

式中：Di為每級載荷循環(huán)造成的損傷，ni為每級載荷總計循環(huán)的次數(shù)，Ni，f為每級載荷對應(yīng)的疲勞極限循環(huán)次數(shù)。

3 點焊疲勞壽命計算

針對本文提出的11種焊點布置模型，施加與1.2節(jié)相同的邊界條件進(jìn)行靜力分析，將各工況有限元結(jié)果導(dǎo)入到Ncode中，定義其載荷映射、材料疲勞特性，然后進(jìn)行焊點壽命分析。

3.1 疲勞載荷譜

在Max factor=1、Min factor=-1條件下，對靜載焊點處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行縮放，為疲勞分析提供應(yīng)力比R=-1的交變應(yīng)力，以此來模擬汽車在較惡劣路況下行駛時焊點處的應(yīng)力變化。應(yīng)力比R=-1的交變應(yīng)力可通過式（3）進(jìn)行修正。

3.2 點焊S-N曲線

Ncode 材料庫中自帶應(yīng)力比R=0時焊核和母材的疲勞特性曲線如圖6所示。

圖6 點焊S-N曲線

3.3 焊點壽命計算結(jié)果

在11種方案中選取具有明顯代表焊點壽命分布變化特點的方案1、5、9。原方案和新方案焊點壽命變化云圖如圖7所示。全部工況焊點壽命如表2所示。由圖7可知，隨著焊點密集區(qū)密度的提高，焊點整體壽命顯著提高，低壽命的焊點個數(shù)明顯減少。

表2 各工況焊點疲勞壽命一覽表

圖7 焊點壽命變化云圖

以橫坐標(biāo)為密集區(qū)焊點間距，縱坐標(biāo)為焊點最小壽命的對數(shù)值，將表2以點線圖的形式呈現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 焊點間距-壽命點線圖

由圖7和圖8可以看出：1）當(dāng)原方案B柱受到來自地面作用力時，B柱上部平面板件區(qū)域壽命普遍偏低，屬于焊點低壽命區(qū)，加大該區(qū)域的焊點密度可以提高整體焊點的使用壽命。2）11種焊點布置新方案中，隨著焊點數(shù)目的不斷減少，焊點壽命在不斷降低。密集區(qū)焊點間距8～28 mm間，各方案焊點個數(shù)相差較大，壽命降低幅度尤為明顯；密集區(qū)焊點間距28～64 mm間，各方案焊點個數(shù)相差較小，壽命降低幅度趨于平緩。3）11種焊點布置方案中，前9種方案的焊點壽命均高于原布置方案，焊點整體壽命均得到顯著提高。但焊點數(shù)目的增加無疑是提高了生產(chǎn)成本。綜合壽命、成本兩方面考慮，方案9密集區(qū)焊點間距為40 mm、稀疏區(qū)為80 mm的布置方案為最優(yōu)化方案，該方案焊點最小壽命為1.14×105次，焊點個數(shù)為40；優(yōu)于原車B柱焊點最小壽命1.068×105次，其中焊點個數(shù)為44。與原方案相比，最優(yōu)方案的焊點最小壽命提高了7200次，焊點總個數(shù)減少了4個，達(dá)到提高焊點疲勞壽命和減少冗余焊點個數(shù)的目的，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

1）采用分區(qū)等距布置形式下，隨著密集區(qū)焊點間距的減小，低壽命區(qū)范圍逐漸縮減且向B柱下端部偏移，處于低壽命區(qū)的焊點分布更加集中。

2）相同焊點布置形式下，焊點個數(shù)對焊點壽命影響很大。當(dāng)B柱受到來自地面作用力時，本文提出的方案中焊點壽命隨著焊點數(shù)的減少而降低，在密集區(qū)焊點間距小于28 mm時，焊點壽命對焊點個數(shù)的變化表現(xiàn)出高敏感性。

3）針對B柱受到路面載荷時，本文采用的分區(qū)等距焊點布置方案提高了焊點整體的抗疲勞性能，并指出了分區(qū)焊點間距與焊點最小壽命之間的關(guān)系，驗證了分區(qū)等距焊點布置方案的有效性，為此類點焊結(jié)構(gòu)的焊點布置提供理論參考，聯(lián)合仿真的分析方法也使得此類問題的解決更加快捷，具有一定的工程實際意義。