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焊点疲劳仿真工程方法探讨

2019-03-10 11:39:56·  来源：Simcenter 3D Online  作者：西门剑客之SC3Der  
　
电阻点焊过程是通过电极在被焊工件上施加并保持一定的压力使工件稳定接触，然后输出电流产生电阻热来升高温度，烙化接触点至焊件内部形成一定尺寸的焊核，然后切
电阻点焊过程是通过电极在被焊工件上施加并保持一定的压力使工件稳定接触，然后输出电流产生电阻热来升高温度，烙化接触点至焊件内部形成一定尺寸的焊核，然后切断电流待焊核凝固后去除电极压力，焊件间即形成了牢固的接头。
 
              
点焊作为一种高效的连接方式广泛应用于汽车零部件和整车的制造过程中，通常一辆轿车约有3000-5000个电阻点焊焊点，电阻点焊是车身装配中最主要的连接方式。电阻点焊主要用于汽车车身焊装，包括车身底板侧围、车架、车顶等部分焊装。
               
汽车车身结构的疲劳耐久性能一般是由点焊疲劳寿命所决定。因为焊接连接会产生一定的缺口从而造成应力集中。裂纹的起始位置一般在应力集中的地方，然后通过焊点和母材扩展，这使得通过点焊连接的结构在工作期间常常在焊接处发生失效破坏。许多汽车制造商都会对车身进行疲劳寿命分析，而车身上又采用如此大量的点焊连接，焊点疲劳仿真的迫切性和重要性显而易见。点焊的性能与许多变量有关，如残余应力、材料不均匀性、焊接参数、厚度、熔核尺寸、热影响区和基材的材料性能、涂覆层和粘合剂、载荷等。因此，需要有专业的焊点疲劳仿真分析方法和工具，实现对焊点的裂纹萌生进行足够准确的寿命预测，以满足工程应用需求。
多年来，研究人员开发并发表了多种焊点疲劳仿真分析方法。然而在今天的商用软件中，只有两种方法得到了实现：Rupp等人的基于力的方法和Brenner等人提出的基于应力的方法。现主流疲劳分析软件都会采用一种Rupp等人在SAE950711上提出的基于力的方法(LBF方法)。这种方法通过计算焊核上的力和力矩，然后利用解析表达式得到焊核和热影响区的应力，从而根据材料试验曲线计算焊点损伤。该方法的优点是网格粗，计算快。该方法是通过精细网格模型与试验结果对比推导出来的方法，因此对于粗糙网格需要满足以下条件:采用一维梁单元或者实体单元时相对于薄板来说刚度应该足够大。靠近焊点的壳单元尺寸应为焊点直径的两倍。不考虑点焊连接的两个金属板的支撑作用。
Rupp的方法对有限元建模还有其它的一些要求。最早期的方法是采用的是梁单元连接壳单元，要求单元节点相容，即梁单元与壳单元垂直。但是，通常两个钣金件的网格是独立网格的，因此不存在这样的节点来连接一个梁单元，除非是基于几何方式进行建模，在划分壳单元之前定义好梁单元。另外梁单元使用节点是6个自由度，而壳单元只使用5个自由度。 这可能导致有限元求解时产生数值歧异问题。一般情况下，处理这个问题的方法要么是在壳单元节点上引入额外的转动刚度，要么是消除壳单元额外的转动自由度。
后来建模方式被扩展到刚性单元（Rbe2）和梁单元组合，以及刚体单元（Rbe3）和六面体单元组合（CDH方法）。在保证单元质量的情况下解决了网格不兼容问题。
Rupp最早提出的应力寿命曲线是通过1403号钢的试样测试得到的。这是一种冷轧扁钢，维氏硬度约为200-300HV。考虑到点焊生产本身的不确定性远大于板材本身的影响，所以Rupp的数据可以用于大量类似材料的点焊耐久分析。
 
西门子基于Simcenter 3D Specialist Durability提供完整的焊点疲劳疲劳仿真解决方案：包括动载荷获取，焊点网格建模，焊点自动识别与焊点疲劳寿命预测。内嵌的基于力的算法除Rupp的LBF方法之外，还提供日本SAE（JSAE）开发的方法。两种方法采用近似的理论，由于都是基于焊核上的力和力矩进行推算，这里简称为力法。Rupp的方法对网格灵敏度比较高，对网格质量要求高，计算结果偏保守。Simcenter 3D Specialist Durability还提供基于应力的焊点疲劳仿真分析方法，与力法对应，这里简称为应力法。
 
应力法是通过获取焊点周围网格上每个节点上的节点力（GPForce，2sides），基于内嵌的焊点有限元模型和算法，精确计算焊核径向应力，然后利用该应力基于SN曲线进行疲劳损伤计算。焊核径向应力的计算与节点力，板厚和焊核直径直接相关。该方法有效的避免了力法理论中最大的一个过渡假设：在弯曲和横向荷载作用下，刚性焊核的直径和约束类型是固定的。
应力法比力法明显的优势在于其精度高，对网格不敏感。
计算精度对比可参考以下图表：
对网格的敏感性可参考以下图表：
Simcenter 3D Specialist Durability可自动识别网格中的焊点，包括粗糙NVH焊点和精细化焊点。对于精细化焊点的自动识别，要求局部精细化焊点网格模型中焊点附近至少有一圈比较好的环形排列单元（washer单元），且每圈单元数量至少为5个，并通过蛛网单元连接梁单元。Simcenter 3D Specialist Durability可自动识别这种模式的精细化焊点，并支持这种类型的精细化焊点网格快速和自动创建。
为了寻找数值精度和计算成本之间的最佳平衡，开发人员进行了大量收敛性研究。在这些研究中，在不同载荷下，将不同离散程度（焊核相邻的壳体单元数和单元类型)）的模型的结果与精细网格模型进行了比较。研究的结果表明，当沿着焊核圆周使用16个均匀形状的一阶壳单元(4个节点)时，数值精度和计算量之间得到了最佳的折衷。
 
为提高建模效率，Simcenter 3D Specialist Durability支持焊点自动精细化。切换焊点类型即可由粗糙NVH焊点模型自动转化为精细化焊点模型，其强大的网格建模功能保证整体单元质量达到最优。自动识别的焊点可在后续焊点疲劳仿真过程直接调用。
 
小结：
Simcenter 3D Specialist Durability提供两种方法支持焊点疲劳仿真分析：
 
第一种传统的基于力的方法（LBF，JSAE）。该方法直接利用相对粗糙的NVH焊点模型 (HEXA, CWELD 或 CBAR)，通过预测出焊核上的力和力矩，根据解析表达式得到焊核和影响区的应力，根据得到应力计算损伤。该方法网格粗，计算快，可直接利用NVH模型。但对网格质量敏感性高，不容易获得高精度结果。
 
第二种基于应力的方法。该方法用精细化的局部焊点模型代替粗糙NVH焊点，并基于内嵌精细化焊点有限元模型（疲劳求解器中）计算出应力以预测焊点疲劳寿命。该方法对局部焊点精细化网格模型有专门的要求，计算速度相对较慢，精度高。 
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疲劳仿真 焊点
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