焊點疲勞仿真工程方法探討

電阻點焊過程是通過電極在被焊工件上施加並保持一定的壓力使工件穩定接觸，然後輸出電流產生電阻熱來升高溫度，烙化接觸點至焊件內部形成一定尺寸的焊核，然後切斷電流待焊核凝固後去除電極壓力，焊件間即形成了牢固的接頭。

 

                           

點焊作為一種高效的連接方式廣泛應用於汽車零部件和整車的製造過程中，通常一輛轎車約有3000-5000個電阻點焊焊點，電阻點焊是車身裝配中最主要的連接方式。電阻點焊主要用於汽車車身焊裝，包括車身底板側圍、車架、車頂等部分焊裝。

                           

汽車車身結構的疲勞耐久性能一般是由點焊疲勞壽命所決定。因為焊接連接會產生一定的缺口從而造成應力集中。裂紋的起始位置一般在應力集中的地方，然後通過焊點和母材擴展，這使得通過點焊連接的結構在工作期間常常在焊接處發生失效破壞。許多汽車製造商都會對車身進行疲勞壽命分析，而車身上又採用如此大量的點焊連接，焊點疲勞仿真的迫切性和重要性顯而易見。點焊的性能與許多變量有關，如殘餘應力、材料不均勻性、焊接參數、厚度、熔核尺寸、熱影響區和基材的材料性能、塗覆層和粘合劑、載荷等。因此，需要有專業的焊點疲勞仿真分析方法和工具，實現對焊點的裂紋萌生進行足夠準確的壽命預測，以滿足工程應用需求。

 

多年來，研究人員開發並發表了多種焊點疲勞仿真分析方法。然而在今天的商用軟體中，只有兩種方法得到了實現：Rupp等人的基於力的方法和Brenner等人提出的基於應力的方法。現主流疲勞分析軟體都會採用一種Rupp等人在SAE950711上提出的基於力的方法(LBF方法)。這種方法通過計算焊核上的力和力矩，然後利用解析表達式得到焊核和熱影響區的應力，從而根據材料試驗曲線計算焊點損傷。該方法的優點是網格粗，計算快。該方法是通過精細網格模型與試驗結果對比推導出來的方法，因此對於粗糙網格需要滿足以下條件:採用一維梁單元或者實體單元時相對於薄板來說剛度應該足夠大。靠近焊點的殼單元尺寸應為焊點直徑的兩倍。不考慮點焊連接的兩個金屬板的支撐作用。

Rupp的方法對有限元建模還有其它的一些要求。最早期的方法是採用的是梁單元連接殼單元，要求單元節點相容，即梁單元與殼單元垂直。但是，通常兩個鈑金件的網格是獨立網格的，因此不存在這樣的節點來連接一個梁單元，除非是基於幾何方式進行建模，在劃分殼單元之前定義好梁單元。另外梁單元使用節點是6個自由度，而殼單元只使用5個自由度。 這可能導致有限元求解時產生數值歧異問題。一般情況下，處理這個問題的方法要麼是在殼單元節點上引入額外的轉動剛度，要麼是消除殼單元額外的轉動自由度。

後來建模方式被擴展到剛性單元（Rbe2）和梁單元組合，以及剛體單元（Rbe3）和六面體單元組合（CDH方法）。在保證單元質量的情況下解決了網格不兼容問題。

Rupp最早提出的應力壽命曲線是通過1403號鋼的試樣測試得到的。這是一種冷軋扁鋼，維氏硬度約為200-300HV。考慮到點焊生產本身的不確定性遠大於板材本身的影響，所以Rupp的數據可以用於大量類似材料的點焊耐久分析。

西門子基於Simcenter 3D Specialist Durability提供完整的焊點疲勞疲勞仿真解決方案：包括動載荷獲取，焊點網格建模，焊點自動識別與焊點疲勞壽命預測。內嵌的基於力的算法除Rupp的LBF方法之外，還提供日本SAE（JSAE）開發的方法。兩種方法採用近似的理論，由於都是基於焊核上的力和力矩進行推算，這裡簡稱為力法。Rupp的方法對網格靈敏度比較高，對網格質量要求高，計算結果偏保守。Simcenter 3D Specialist Durability還提供基於應力的焊點疲勞仿真分析方法，與力法對應，這裡簡稱為應力法。

應力法是通過獲取焊點周圍網格上每個節點上的節點力（GPForce，2sides），基於內嵌的焊點有限元模型和算法，精確計算焊核徑向應力，然後利用該應力基於SN曲線進行疲勞損傷計算。焊核徑向應力的計算與節點力，板厚和焊核直徑直接相關。該方法有效的避免了力法理論中最大的一個過渡假設：在彎曲和橫向荷載作用下，剛性焊核的直徑和約束類型是固定的。

應力法比力法明顯的優勢在於其精度高，對網格不敏感。

計算精度對比可參考以下圖表：

對網格的敏感性可參考以下圖表：

Simcenter 3D Specialist Durability可自動識別網格中的焊點，包括粗糙NVH焊點和精細化焊點。對於精細化焊點的自動識別，要求局部精細化焊點網格模型中焊點附近至少有一圈比較好的環形排列單元（washer單元），且每圈單元數量至少為5個，並通過蛛網單元連接梁單元。Simcenter 3D Specialist Durability可自動識別這種模式的精細化焊點，並支持這種類型的精細化焊點網格快速和自動創建。

為了尋找數值精度和計算成本之間的最佳平衡，開發人員進行了大量收斂性研究。在這些研究中，在不同載荷下，將不同離散程度（焊核相鄰的殼體單元數和單元類型)）的模型的結果與精細網格模型進行了比較。研究的結果表明，當沿著焊核圓周使用16個均勻形狀的一階殼單元(4個節點)時，數值精度和計算量之間得到了最佳的折衷。

為提高建模效率，Simcenter 3D Specialist Durability支持焊點自動精細化。切換焊點類型即可由粗糙NVH焊點模型自動轉化為精細化焊點模型，其強大的網格建模功能保證整體單元質量達到最優。自動識別的焊點可在後續焊點疲勞仿真過程直接調用。

小結：

Simcenter 3D Specialist Durability提供兩種方法支持焊點疲勞仿真分析：

第一種傳統的基於力的方法（LBF，JSAE）。該方法直接利用相對粗糙的NVH焊點模型 (HEXA, CWELD 或 CBAR)，通過預測出焊核上的力和力矩，根據解析表達式得到焊核和影響區的應力，根據得到應力計算損傷。該方法網格粗，計算快，可直接利用NVH模型。但對網格質量敏感性高，不容易獲得高精度結果。

第二種基於應力的方法。該方法用精細化的局部焊點模型代替粗糙NVH焊點，並基於內嵌精細化焊點有限元模型（疲勞求解器中）計算出應力以預測焊點疲勞壽命。該方法對局部焊點精細化網格模型有專門的要求，計算速度相對較慢，精度高。