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[分享] 基于耐撞性的车身焊点动态失效研究及应用

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发表于 2020-8-17 11:36:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 zhaoxiang 于 2020-8-17 11:37 编辑

【汽车材料网】基于耐撞性的车身焊点动态失效研究及应用


来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:董瑞强 舒常乐 沈海东
(泛亚汽车技术中心有限公司)


摘要:基于车身耐撞性,对车身焊点热影响区的受力状态进行了分析,得到了基于许用剪应力和拉应力的焊点失效准则;基于失效准则对焊点进行了剪切及拉伸动静态试验,拟合得到了焊点的动态失效模型;将焊点动态失效模型带入子系统模型进行参数对标,将对标数据代入整车碰撞模型中,和试验相比得到了更加相似的焊点失效模式,提高了碰撞仿真的精准度。

关键词:车身点焊 热影响区 耐撞性 动态失效


1前言

电阻点焊是利用电流的热效应将接触的金属板件连接在一起的过程,其焊接质量稳定、生产效率高、易于实现自动化和机械化,成为了现代汽车制造领域车身薄板件连接的主导工艺。据统计,每辆车约有4 000~6 000个电阻点焊焊点[1],在汽车碰撞过程中的大变形区域可能会发生焊点失效情况,降低车身结构的耐撞性[2],在车辆前期开发过程中必须考虑焊点的动态失效模式,才能更加精准地对车辆的耐撞性进行有效预测,降低开发成本,缩短开发周期。

针对车身点焊的失效模拟方法,国内外学者主要对失效准则及建模方法进行了相关研究。在失效准则方面,吴鑫等[3]对焊核的力学特性进行了研究;张亮等[4]采用非线性数据拟合了Anand本构方程的9个参数;北美通用的PC Wang[5]针对车身焊点的失效模式进行了理论解释。在建模方法方面,朱大业[6]通过有限元模拟,发现实体单元仿真精度最高;蒋小晴等[7]对汽车前纵梁的碰撞分析焊点的多种建模方式,同样发现实体单元仿真精度最高;连志斌等[8]使用数值优化等方法,再现并解决了某次碰撞试验中出现的焊点开裂问题;基于学者研究本文采取实体单元进行焊点的有限元模拟。

本文对车身焊点热影响区在复杂受力下的应力状态进行分析,结合动静态试验,推导拟合得到焊点的动态失效准则,结合子系统对标和整车碰撞模拟分析,提高了碰撞仿真的准确度,也为焊点失效的模拟方法提供了思路。


2焊点动态失效模型的建立

当车辆发生碰撞时,被碰撞区域的焊点所受到的碰撞载荷往往非常复杂,失效模式也各式各样,但从实际碰撞过程的焊点失效情况来看,焊点往往都在其热影响区发生撕裂,焊核本体一般不会发生破坏(当焊核本体发生破坏时,一般认为可能是焊接质量不达标造成的,即发生虚焊)[9]。因此本文假定焊点结构发生断裂的区域均在热影响区,焊核在受力过程中不发生破坏,为方便分析,将焊核区域视为一规则的圆柱体,热影响区简化为一厚度可忽略不计,高度为t的薄壁圆环,将焊点结构所受外力等效到焊点中心处,得到如图1所示的3个力和3个力矩。


图1 焊核受力示意

2.1 焊点热影响区受力分析

当焊点只受到X向载荷Fx时,假定焊点发生失效时,热影响区中应力分布形式为余弦形式,则焊核受到的应力分布如图2所示。


图2 载荷Fx引起的应力分布

其中应力在θ=0°和θ=180°时取得最大值σmax,在 θ=90°和 θ=270°时取得最小值0,应力分布σ(θ)如下。
假定载荷Fx能被正应力σ(θ)完全平衡,有平衡方程式(2)。
式中,t为母材厚度,d为焊核直径。
假设焊点能够承受的最大正应力为σf,则试件能承受的X向最大载荷Fx_max计算如下 。
同理,焊点能承受的Y向最大载荷Fy_max计算如下。

当焊点只受到Z向载荷Fz时,焊核周围的热影响区材料受剪力作用,当载荷增大到一定程度时,热影响区材料发生剪切失效,焊点的一端被从母材中拉拔出来,另一端保持完好,焊点热影响区的受力分布如图3所示。


图3 载荷Fx引起的应力分布

载荷Fz在热影响区所引起的剪应力τ(θ)分布为均匀分布,如式(5)。

假定载荷Fz能被剪应力τ(θ)完全平衡,则有平衡方程式(6)。

式中,t为母材厚度,d为焊核直径。

假设焊点能够承受的最大剪应力为τf,则试件能承受的Z向最大载荷Fz_max如下。

当焊点只受到X向弯矩Mx时,焊核周围的热影响区材料受弯矩引起的剪力作用,当载荷增大到一定程度时,热影响区材料发生剪切失效,焊点的一端被从母材中拉拔出来,另一端保持完好,假定焊点热影响区的应力分布为正弦形式,应力分布如图4所示。

图4 载荷Mx引起的应力分布

其中应力在θ=90°和θ=270°时取得最大值τmax,在 θ=0°和 θ=180°时取得最小值0,应力分布可以表达为式(8)。

假定弯矩Mx能被剪应力τ(θ)完全平衡,则有平衡方程式(9)。假设焊点能够承受的最大剪应力为τf,则试件能承受的X向最大弯矩Mx_max如下。

同理,焊点能承受的Y向最大弯矩My_max计算如下。

当焊点只受到Z向弯矩Mz时,焊核周围的热影响区材料受剪力作用,焊点热影响区的应力分布如图5所示。

图5 载荷Mz引起的应力分布

弯矩Mz在热影响区所引起的应力分布τ(θ)为均匀分布,如式(12)。
假定弯矩Mz能被剪应力τ(θ)完全平衡,则有平衡方程式13。
假设焊点能够承受的最大剪应力为τf,则试件能承受的Z向最大弯矩Mz_max如下。


2.2 焊点失效准则及动态失效模型

在复杂载荷作用下,单元的失效是由拉应力和剪应力共同引起的,如果焊点热影响区的需用拉应力和需用剪应力分别表示为σf和τf,那么失效准则可以表达为如下公式。

通过以上分析,得到了各方向的力和力矩在热影响区的应力分布表达,假设焊点受到的平面力和弯矩为P和M,轴向力和弯矩为Pz和Mz,那么焊点热影响区的拉应力和剪应力可以表达为如下公式。

在失效分析中不仅要考虑焊点的静态失效,还要考虑不同应变率对焊点失效的影响,假定在动态载荷下,每个分力(矩)在热影响区引起的应力分布形式不变,只是幅值相应增加,以上推导得到的焊点许用应力求解公式对于动态工况依然适用。为了量化应变率效应对焊点材料许用应力的影响,对文献[10]中的动态本构模型加以修改,用以预测焊点的许用应力在考虑应变率效应时的变化情况,修改后的公式如下。

式中,σf为焊点在应变率为ε̇时的许用应力,[σ0]f为参考点的许用应力,ϵ̇ref为参考应变率,Ci(i = 1,2,3,4,5)为与材料有关的常量,可以通过动态试验结果拟合得到。



3焊点失效动静态试验方法介绍

由上述可知,需要在不同应变率下得到焊点的许用拉应力和许用剪应力,才能拟合得到焊点的动态失效模型。分别通过拉剪试样、U型拉伸试样、对接试样和扭转试样动静态试验,模拟焊点在不同的受力模式下的失效方式,得到焊点在不同应变率下的许用拉应力和许用剪应力。

试验样件采用车身上常用的1.4 mm厚度的CR 420和2.0 mm厚度的DP 800进行电阻点焊,焊核直径在5 mm左右,焊接电流为9.5 kA,焊接时间为120 ms,电极电压为3.6 kV。样件形式如图6所示。

静态试验在Zwick带有反馈系统的液压伺服拉伸机上完成,加载采用位移控制,加载速度为5 mm/min;而动态试验则在Zwick的大吨位高速伺服拉伸试验机上完成,载荷加载速率分别为1 m/s、3 m/s、5 m/s、8 m/s和10 m/s,以模拟焊点在不同应变率下的失效情况。


图6 动静态试验样件

4试验结果及讨论4.1 静态试验结果讨论

静态试验数据如图7所示,可见拉剪试样能承受的失效力最大,而对接试样和扭转试样能承受的失效力明显减小;且对于U型拉伸试样,在载荷加载过程中,结构的抗弯刚度较小,母材发生较大变形,随着加载继续进行,母材变形不再明显增加,但结构的刚度发生较大的变化,载荷曲线斜率较初始段有所增加;对于对接试样,初始加载时,强度较弱一侧的母材在外力的作用下,其90°角几乎被拉直,变形量很大,随着加载进行,热影响区变形增加明显,整个加载过程中载荷-位移曲线有一定波动。

统计不同试验组的数据,得到的失效载荷和位移之间的关系如表1~表4所示,拉剪试样的平均失效力为14.9 kN,U型拉伸试样的平均失效力为11.2 kN。


图7 静态载荷-位移曲线

由上述公式可知,对于拉剪试样,焊点热影响区只受到拉应力σf,则计算如下。


表1 拉剪试样焊点静态失效试验结果

表2 U型试样焊点静态失效试验结果

表3 对接试样焊点静态失效试验结果

表4 扭转试样焊点静态失效试验结果

对于U型拉伸试样,焊点热影响区只受到剪应力τf,计算如下。

对于对接试样,焊核在外力作用下受到沿着轴向的开口载荷Pz和弯矩载荷Mx,定义焊核到变形试样底面的距离为l,则理论上焊点在力和弯矩作用下失效判据 f。

将对接试样试验失效力值和计算到的许用剪应力代入式中,可以得到焊点失效时的f值来验证失效准则的有效性,结果如表5所示,可见失效时f都在1左右,误差不超过10%,失效准则精度较高。


表5 焊点静态对接试样结果验证

对于扭转试样,焊核在外力作用下受到沿着轴向的弯矩载荷Mz和载荷力P,定义焊核到夹头的距离为l,两焊接试件之间的夹角为θ,则理论上焊点在力核弯矩作用下失效时判据f。

同理,代入许用拉应力和剪应力验证,结果如表6所示,f值的误差也在10%以内,同样验证了失效准则。


表6 焊点静态对接试样结果验证
4.2 动态试验结果讨论

在动态试验中,为了测量试样在不同拉伸速率下的应变率,在强度较弱的一侧母材上使用间距为l0=5 mm的基准线进行标识,试验后选择离初始裂纹最近的两条基准线之间的间距l1进行测量,结合试验设备监测到的变形时间t,可以得到平均应变率ε̇如下。

拉剪试样的动态失效载荷-位移曲线如图8所示,可见动态失效曲线和静态曲线有较大差别,初始阶段曲线斜率变化明显并且出现波动,原因是在载荷加载前期,焊核及末端母材在外力作用下会发生一定角度的旋转,使外力的作用线通过结构中心,此时结构刚度较小,载荷增加较慢,之后结构几何形状基本保持不变,随着载荷的增加,热影响区的形变逐渐增加直至热影响区发生失效,处理得到的动态许用拉应力和应变率如表7所示。


图8 动态载荷-位移曲线

表7 焊点动态试验结果

结合动静态试验计算出来的焊点失效许用应力,按照式18进行动态参数拟合,定义参考应变率为22.9,得到如下最佳拟合参数,C1=18.2,C2=1 346.3,C3=-0.17,C4=1.27,C5=-4.1,[σ0]f=1 346.3,ϵ̇ref=22.9 ,同理 [τ0]f=1 346.3,在对数坐标系下得到的拟合曲线如图9所示,可见拟合具有较高的精度。


5焊点动态失效在碰撞中的应用

实际试验中存在焊点失效情况,将试验得到的焊点许用应力和应变率之间的动态失效模型代入跌落塔子系统。经过对标后仿真和试验对比如图10所示,可见变形模式相同,且碰撞过程中的接触力大小相似,说明本研究的焊点失效动态模型较为准确地模拟了焊点的失效状态。


图9 焊点动态失效参数拟合
图10 不同厚度前防撞梁受力情况

将子系统对标数据代入整车碰撞仿真中,进行整车碰撞验证。某车型碰撞试验和仿真对比如图11所示,在正面碰撞试验中Upper Dash上有15个焊点失效,1号梁与Dash的连接处也有9个焊点失效,而带入了焊点动态失效的仿真分析,仿真中Upper Dash上有13个焊点失效,1号梁与Dash的连接处有10个焊点失效,仿真中焊点失效位置和数量均和试验接近,进一步验证了本文焊点动态失效模型的准确性。

图11 整车碰撞试验和仿真对比

6结论

a.主要通过理论模型在碰撞中的实际应用推导,建立了焊点动态失效拟合模型;

b.通过一系列焊点失效试验样件及试验参数的设计,获得了焊点失效的具体许用拉应力和剪应力限值,得到了获得焊点动态失效参数的试验方法;

c.将焊点动态失效模型应用于实际子系统和整车碰撞分析中,较好地重现了试验中的焊点失效现象,显著提高了仿真的精准度,为碰撞过程中的焊点失效问题提供了解决思路。




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