[发明专利]点焊连接及其失效的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是：一种采用有限元模型对点焊连接及其失效的数值模拟方法，尤其是对焊点拉脱失效与焊点焊核失效的模拟。

背景技术

点焊是众多焊接工艺中的一种，如同激光焊、熔化焊一样，而焊点是指点焊焊接工艺产生的结果形态，本文中点焊有时亦可指称焊点。点焊失效模式主要有两种：拉脱失效(Pullout failure)与焊核失效(Interfacial failure)，前者是指焊点热影响区(Heat Affected Zone)材料沿焊核(Nugget)周围整圈撕裂而焊核保持完整的现象；后者是指焊核接合面分离而热影响区及母材未撕裂的现象。

点焊失效对仿真结果的影响主要有两个方面：一是，焊点是吸能的，对碰撞仿真分析有一定程度的影响；二是，焊点失效后会影响或改变载荷传递路径和效果，直接影响计算结果的可信度。 

点焊失效模拟一直是整车碰撞仿真中属于基础性理论研究范畴的难点问题。长期以来，学界和工程界都做了大量研究工作，比如有文献提出用6自由度2节点弹簧单元来模拟焊点的方法，其失效准则为焊点峰值力、位移和能量等参数。目前焊点研究的整体趋势是用体单元代替目前的梁单元模拟，比如：Honda对焊点的研究表明用多个固体单元来模拟焊点比较精确。丰田汽车利用自己开发的焊点失效模型成功的模拟了焊点拉脱失效，并将其应用到整车碰撞模型当中，对点焊失效模拟结果与试验结果进行了比较，取得了满意的效果。  

目前点焊失效模拟方法的主要特点是：基本上都只考虑对焊核的模拟，将其简化为一维单元，因而，需要建立一个复杂的焊点数学模型以描叙焊核，同时，设置许多焊核载荷参数以进行失效判断。如果没有相关焊点数据库的支持，不能有效预测点焊失效，比如通用汽车整车碰撞模型中对点焊失效处理的要求是：对经验判断存在点焊失效的区域，才需要考虑点焊失效，如何设置点焊失效参数则需参照焊点数据库。因此，在实际工程应用中对缺乏数据库的主机厂很难执行，目前比较普遍的处理是采用不考虑点焊失效问题的可变形梁单元。

与本发明研究思路相近的一篇文献：从微观层面研究了焊点热影响区材料性质的变化对点焊失效的影响，提出将焊点热影响区分成若干个子区域，每个子区域材料参数和失效参数都不同。该文献为点焊模拟的研究拓展了思路，但对焊点模型网格的处理基本没有考虑工程应用的可行性，且失效塑性应变的确定本身来自焊点试验失效仿真，逻辑上存在疑问，在工程实践中很难有实际应用价值。因此，在本发明焊点模拟方法研究中，引入了等效原则对焊点模型进行简化。等效原则主要包含两层意思：一是，对焊接工艺过程中产生的大量热引起的焊点局部材料性质变化进行等效；二是，对点焊失效模式进行等效。该等效原则相比目前点焊模型将焊点简化为一维单元是一种进步，更符合焊点实际情况。

本发明点焊模拟研究完全采用有限元建模的方法，不需要对针对焊点专门进行数学模型的描叙，克服了目前焊点模拟方法中存在的各种问题，比如只需要输入焊点母材的延伸率以作为判断点焊失效的阀值，而材料延伸率则可以直接从相关材料手册中查到。

发明内容

本发明提供了一种点焊连接及其的失效模拟方法，该方法完全采用有限元方法构建焊点模型，避免了对焊点数学模型的描叙，克服了目前焊点失效模拟方法中存在的各种问题。

本发明的焊点模型具体构建方案是：根据焊点由于材料性质变化的不同而分为焊核区和热影响区两个区域的结构特点，采用体网格和壳网格分别建立了主要由焊核区和热影响区组成的焊点有限元模型，为焊点失效参数的设置提供了针对性的实施基础，该方法并对焊点模型网格的形成提出了具体的构建规则，该规则适合编程自动实现，其焊点模型建立具体步骤为：

第一步，确定焊核区网格的形状及大小：焊核区由一层或者多层网格组成，且每层包含四个体网格，其俯视边界是八边形；焊核区直径根据焊核实际直径或焊接工艺平均直径确定；焊核区上、下表面边界分别称之为焊核区上表边界a1和焊核区下表边界a2, 在焊核区上表边界a1上的八个节点按逆时针编号分别是4、15、16、17、18、19、20、8；