汽车碰撞分析中焊点模拟的研究

【摘 要】在汽车碰撞仿真分析中，如何准确地模拟焊点单元，是碰撞仿真过程中的一个难点。为研究碰撞仿真分析中焊点单元的模拟方法，以台车碰撞试验为基础，通过建立不同类型的焊点模型，对比台车模型试验结果与仿真结果，发现对焊点单元采用不同的模拟方法，得到的碰撞模型结果差别较大，其中手动建立实体焊点的大梁压溃变形模式以及加速度曲线峰值和碰撞时间都和试验较接近，更能准确的模拟焊点。

【关键词】汽车碰撞；焊点模拟；仿真精度

0 引言

进入21世纪以来，全球汽车制造业竞争日益激烈。汽车安全性作为汽车的主要基本性能之一，越来越受到各制造商的重视。在汽车被动安全性能的研究中，采用计算机进行仿真分析是一个重要环节，计算机仿真技术的快速发展，大大缩短了汽车的开发周期。随着我国经济的快速发展，汽车保有量持续增加，汽车已成为人们生活中的一部分。然而据交通部统计，我国每年发生的交通事故几十万起，造成上万人伤亡，经济损失严重[1]。对汽车的碰撞安全性能进行研究非常重要。

汽车的车身结构主要是由不同的金属构件及覆盖件通过焊接、螺栓连接、铆接和粘胶而成，其中最主要的连接方式就是焊接。点焊连接具有质量轻、可靠性好、性能稳定和易于实现自动化等优点，在汽车工业中被广泛采用。据统计，每辆轿车车身上，通常会有几千个焊点。焊接质量对整车碰撞尤为重要，如若焊点模拟不准确，会降低碰撞模拟精度，甚至引起整个模拟结果失败[2]。因此，如何在仿真中准确模拟焊接单元，保证碰撞分析结果的正确性，是本文的重点研究。

目前，国内外关于焊点模拟已做了大量研究Σ。其中法国的研究人员采用有限元法模拟了单一焊点的剪切搭接试验、正拉伸试验，并探索了失效条件[3]；日本本田研发中心的Skye Malcolm通过有限元法对整车碰撞过程中焊点的失效进行了准确模拟[4]；我国的各汽车研发中心和高效也展开了大量研究，如同济大学的高卫民对碰撞模拟过程中焊点的影响进行了研究，提出了碰撞模拟中常用的焊点模拟方法[5]；吉林大学的宋海生等对整车模态分析中焊点模拟方法进行了研究，得出整车模态分析中采样弹塑性梁单元模拟焊点更准确[6]。

1 焊点模拟方法

一般情况下，在碰撞模拟分析中，采用的焊点模拟方法有无质量刚性梁焊点、可变形梁单元焊点、体单元焊点。

无质量刚性梁焊点模拟方法就是在焊点位置上用无质量刚性梁来连ฉ接壳单元相应节点，通过耦合焊点位置相应节点的自由度来模拟焊点的力学行为，这是一种最为简单的焊点模拟方法。这种模拟方式的主要优点是对时间步长没影响，但是其要求单元的网格最好垂直对齐，并且忽略了焊点的变形，目前采用较少。其模拟方式如图1所示。

图1 刚性梁焊点模型

可变形梁单元焊点使用Beam单元连接两层壳单元，如图2所示，力通过梁单元来进行传递。通过定义Beam单元的材料属性，来模拟焊点的应力应变特性。通过定义接触来连接壳单元与Beam单元，使得这种焊点模型对网格节点不依赖，可以在单元表面创建，建模过程比较简单，且力不是通过单元节点传递，而是通过单元面传递，这种传递方式比较真实的模拟了焊点的受力情况。主要缺点就是不能传递平面内扭矩，并且对时间步长有影响。

图2 Beam梁单元焊点模型

体单元焊点通过使用实体单元对焊点进行模拟，体单元和焊接位置壳单元使用公用节点进行连接，此方法从三维角度尽可能准确地模拟了焊点，如图3所示。实体焊点的模拟有两种常用方法，第一就是直接创建hexa类型的实体焊点；第二种就是在生成的Beam梁单元焊点的基础上，通过卡片设置输出实体焊点，使用一组实体单元的集合来对单个焊点进行有限元模拟。实体单元可以采用不同的HEX来对焊点进行模拟，HEX1表示使用单个实体单元来对焊点进行模拟，而HEX4则使用4个实体单元所组成的集合来对焊点进行模拟，HEX8为使用8个实体单元集合对单个焊点进行模拟。焊点相关计算结果数据的输出并不是基于单个实体单元，而是模拟一个焊点的所有实体单元的集合。体单元模拟精度高，可以克服梁单元不能传递平面扭矩情况，但是其建模难度较大，对时间步长影响较大。

图3 传统体单元焊点模型

在☤一个整车有限元模型中，焊点需要通过接触来定义，而不是壳单元节点之间的连接。采用接触定义来连接，能降低对网格划分的要求，减少前处理时间，同时这种模拟方式也比较接近实际情况。不同焊点类型所定义的接触不一样，其中无质量刚性梁焊点通过关键字*CONSTRAINED SPOTWELD或者*CONSTRAINED NODAL RIGID BODY来定义；可变性梁单元焊点通过关键字*CONTACT SPOTWELD来定义接触，体单元焊点通过*CONTACTTIED SHELL EDEG TO SURFACE来定义接触。

2 台车碰撞模拟和试验验证分析

本次研究选用台车上焊接部分前大梁组件进行正碰试验，根据台车的实际状况，先把前大梁组件焊接在一块1500*150、厚度为4mm的钢板上，然后再整体焊接在台车上。大梁组件的焊接要求即焊点间距约为40mm，且无虚焊、漏焊。碰撞小车总质量1168kg；碰撞小车的速度为13.8m/s。首先采用hypermesh软件对整车建模，利用ls-dyna软件进行计算，然后用hyperview软件进行结果后处理分析。如下图4所示。

图4 台车有限元模型

分别采用不同的焊点模拟方法进行仿真分析，仿真分析中为保证模型的精度，整车质量增加一般控制在5%之内。下图5所示为不同焊点模拟方式下仿真模型计算过程中产生的质量增加，使用梁单元焊点时模型质量增加最少，手动建立实体焊点的模型次之，卡片控制输出焊点实体集的情况下，采用hex1和hex4类型质量增加的基本一致，采用hex8类型则质量增加明显多于其他几个模型。

图5 不同焊点模拟方式下的质量增加

图6所示为大梁仿真变形与试验变形的对比图。从图中可看出，采用BEAM、SOLID、HEX1这三中类型的大梁变形模式与试验更接近，而采用HEX4、HEX8这两种模拟类型的大梁变形模式与试验有较大的差别。

图7是试验与仿真的整车加速度曲线对比。采用手动建立实体焊点的模型加速度曲线第一个峰值大小和试验基本一致，第一个峰值出现的时间向后推迟5ms；采用卡片控制输出实体焊点的三种模型的第一个峰值基本一致，比试验的第一个峰值要小3g左右；采用beam梁单元焊点的第一个峰值最低，比试验的小5.5g左右；整个碰撞时间，手动建立实体焊点的模型也和试验的较接近，其它几个模型碰撞时间明显比试验的要长。

图6 实验与仿真大梁变形对比

图7 试验与仿真的加速度曲线对比

对焊点单元采用不同的模拟方法，得到的碰撞模型结果差别较大，通过台车模型试验结果与仿真结果的对比可以看出，以上几种焊点模拟方法中，手动建立实体焊点ม的大梁压溃变形模式以及加速度曲线峰值和碰撞时间都和试验较接近，更能准确的模拟焊点。

3 结论

本文以50km/h台车碰撞试验为基础，研究了碰撞仿真分析中焊点单元的准确模拟方法。建立5中不同类型的焊点模型，通过台车模型试验结果与仿真结果的对比可以看出，对焊点单元采用不同的模拟方法，得到的碰撞模型结果差别较大，几种焊点模拟方法中，手动建立实体焊点的大梁压溃变形模♫式以及加速度曲线峰值和碰撞时间都和试验较接近，更能准确的模拟焊点。

【参考文献】

[1]中华人民共和国道路交通事故统计资料汇编（2007）[Z].北京：公安部交通管理局，2007.

[2]何文，张维刚，钟志华.汽车碰撞仿真研究中电焊连接关系的有限元模拟[J].机械工程学报，2005，41（9）：75-77

[3]高卫民，王宏雁，徐敦舸.碰撞模拟过程中焊点的影响[J].同济大学学报，2001，29（7）：870-873.

[4]宋海生，史文库，等.整车模态分析中焊点模拟方法的研究[J].汽车工程2011，11（33）：920-923.