Simcenter 3D Solutions SC 3D Specialist Durability中焊点疲劳仿真的方法和精度探讨

摘要

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，点焊的疲劳性能受残余应力、材料不均匀性、焊接厚度、熔核尺寸、热影响区和母材材料性能、涂覆层和粘合剂等众多因素影响。因此点焊疲劳预测难度大，一般具有专用的疲劳仿真算法。在Simcenter 3D Specialist Durability（以下简称Simcenter 3D SPD）中，为用户提供了基于力的LBF算法和基于应法的焊点疲劳损伤预测方法，以分别适用于焊点疲劳仿真的不同阶段，从计算效率和计算精度上取得了很好的平衡。本文对Simcenter 3D SPD中的焊点疲劳仿真算法的理论背景、计算精度和计算效率进行了总结。

详细信息

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，在工程中对于焊点疲劳仿真具有专用的分析方法和工具，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。

目前在商用软件中，有两种方法在工程中得到了广泛应用，分别为（1）Rupp等人的基于力的方法（LBF方法）和，（2）Brenner等人提出的基于应力的方法。

1. 基于力的LBF焊点疲劳仿真算法

目前主流疲劳分析软件一般采用Rupp等人在SAE950711上提出的基于力的方法(LBF方法)，而Simcenter 3D SPD同时还提供了日本SAE（JSAE）开发的方法。两种方法采用近似的理论，都是基于焊核上的力和力矩进行推算，所以简称为力法。两种方法相比，Rupp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 SPD的力法焊点疲劳基本原理：求解器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。由于疲劳应力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。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，支持刚性单元（Rbe2）和梁单元组合，以及刚性单元（Rbe3）单元与六面体单元的组合（CDH方法）。

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。
除了对焊点疲劳损伤的计算算法，Simcenter 3D SPD同时提供完整的焊点疲劳仿真解决方案：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。如前所述。内嵌的基于力的算法除Rupp方法之外，还提供日本SAE（JSAE）开发的方法。
 

2. 基于应力法焊点疲劳仿真算法

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。
Simcenter 3D SPD应力法比力法明显的优势在于其精度高，对除焊点区外围的网格不敏感。
同时，Simcenter 3D SPD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，Simcenter 3D SPD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。

3. 总结

对于焊点疲劳分析，Simcenter 3D SPD提供了两种方法。
1）第一种为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。但对焊区周围网格质量敏感性高，不容易获得高精度结果。
第二种为基于应力的方法。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。