焊点失效的数值模拟方法

自汽车装配线诞生之日起,电阻点焊就是制造流水线上不可或缺的重要部分。一辆乘用车大约有4000-6000个焊点,承担了75%以上的车身装配工作,焊点的焊接质量直接影响车辆的安全性能。焊点失效的问题以往都需要等到实车碰撞后才能判断,但随着有限元技术的发展和计算机性能的提高,采用数值模拟提前预测、对标焊点失效的仿真方法逐渐得到重视,在这过程中通过大量的理论与实验研究产生了多种焊点失效判据。

根据弹塑性响应和损伤失效机理建立失效判定方程
Combescure2003 :SH.Lin 2003:但以上焊点失效判据的缺点是

1、系数过多,建模较繁琐;

2、适用的焊点单元为弹簧单元或者梁单元,网格独立性不好。

基于力和应力的焊点失效判据

根据应力表示的焊点失效参数来描述焊点的失效行为:

1.丰田公司开发的基于应力的焊点失效判据,仅考虑轴向应力和剪切应力:

2.戴姆勒汽车公司考虑到实体单元在全面描述焊点应力状态方面具有得天独厚的优势提出了一种更全面的适用于实体单元焊点的失效判据,增加了对剥离应力的考量,当式中的f≥1时,焊点被认为已经失效。

3.LS-DYNA提供的基于力值的焊点失效判据

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式中焊点所受的拉伸力、剪切力、弯矩和扭矩可通过相应的焊点力学性能试验获得,焊点失效判据中的分母即为焊点失效参数。当FC≥1时,焊点被判定为失效。

焊点受力示意图

基于应力及力值的焊点失效判据主要适用于实体单元及实体束单元(对于实体单元束则可以利用关键字*DEFINE_HEX_SPOTWELD_ASSEMBLY组成一个焊点单元,计算合力和力矩用于焊点失效)。一般用多个实体单元来模拟焊接点比较精确,当焊点的六面体数目增多时,接触更可靠,焊点所受内外力吻合良好,但会增大计算规模和求解时间。

实体单元及实体单元束

基于应变的焊点失效判据

1.基于丰田应力失效判据衍生的应变失效判据

2.基于焊点热影响区(HAZ)损伤的焊点失效方法

基于HAZ损伤的焊点失效预测、对标方法一般都需要在模型中将热影响区体现出来,然后利用材料应变失效判断焊点失效风险,建模较复杂。

HAZ建模形式

总结
焊点失效的有限元数值模拟需要焊点失效判据与焊点模型匹配使用,不同的应用环境下精度也会不同,应根据使用需求综合选择焊点失效参数来源、焊点建模形式及失效判据。目前基于应力、合力的失效判据加上实体单元及实体单元束的焊点失效数值模拟方法常用于焊点失效的预测,应变失效加HAZ建模形式常用于焊点失效的对标工作。文章转自:智享汽车圈

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