基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法

摘要

一种汽车计算机辅助设计技术领域的建基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法，包括以下步骤：第一步、基础板建模，包括基础板硬点布置、基础板网格划分、基础板网格平移；第二步、双层梁焊缝模型建立，包括空间节点布置、双层梁制作、将梁与基础板连接；第三步、双层梁单元的属性赋值，包括梁单元材料属性赋值、梁单元截面属性赋值；第四步、将所建立的拼焊板焊缝模型连同基础板网格模型移入碰撞有限元计算模型。本发明既考虑了焊缝的材料属性又考虑了焊缝的形状，能够准确模拟焊缝的在碰撞仿真中的变形行为，提高汽车碰撞仿真精度，且快速有效，便于技术人员掌握。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种汽车计算机辅助设计技术领域的方法，特别是一种基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法。

背景技术

拼焊板技术兴起于上世纪90年代，是将几块不同强度、不同厚度的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。目前拼焊板技术已经在大量的中高档轿车上应用，如POLO，BUICK，MAZDA，CADILLAC等等。为了在设计的初始阶段获得汽车的耐撞性能以满足越来越严格的国家法规，汽车计算机辅助设计(CAE)技术被广泛运用于汽车耐撞性能的评价，它不仅降低试验成本而且能够减少设计周期。为了精确模拟拼焊板在汽车碰撞中的动力学行为进而得到精确可信的仿真结果，拼焊板焊缝模型的建模技术非常关键，因为它会影响到碰撞力在拼焊板零件中的传递和拼焊板整体的变形。

然而到目前为止，却没有科研人员或技术人员对汽车碰撞有限元仿真中的拼焊板焊缝的模拟方法进行研究。即使是现有的焊缝有限元模型，也都是针对拼焊板冲压成形仿真而建立的，这些焊缝模型基本上可以分成两大类，一类是忽略了焊缝材料属性和几何形状的焊缝有限元模型，包括节点和刚性连接模型；另一类则是考虑焊缝类型的焊缝有限元模型，包括梁单元模型、壳单元模型和实体单元模型。拼焊板单元模型在冲压成形仿真与汽车碰撞仿真中最大的区别在于：冲压成形仿真中，母板可以用任意小的网格来离散；而对于汽车碰撞仿真，考虑到解算效率问题，母板的最小网格尺寸一般为5mm，与此同时，焊缝宽度一般仅为1.5mm左右。上述模型在模拟汽车碰撞中的焊缝力学行为时，节点和刚性连接虽然计算效率高，却忽略了焊缝材料属性和几何形状；梁单元不能表达焊缝的形状；壳单元只适合于等厚度板；实体单元虽然精确，却要求两块母板都实体建模，建模过程复杂，计算效率低。而且如果采用壳单元或是实体单元，由于汽车碰撞有限元仿真一般都采用质量缩放手段，会造成质量增加过大而不精确；由于焊缝过窄会导致网格长宽比过高而造成仿真解算不稳定。因此，还没有合适的焊缝模型适用于汽车碰撞仿真中的拼焊板焊缝模拟。

经对现有技术的查新，没有发现对汽车碰撞仿真中的拼焊板焊缝建模方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法，使其既考虑了焊缝的材料属性又考虑了焊缝的形状，能够准确模拟焊缝的在碰撞仿真中的变形行为，提高汽车碰撞仿真精度，且快速有效，便于技术人员掌握。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步、基础板建模

a.基础板硬点布置：利用几何处理模块在两块基础板与焊缝相连边界处均匀布置硬点，这样能够使焊缝相连边界处的基础板网格节点一一对应。

所述的硬点，是指在几何线上布置的点，这些点在网格处理中将作为网格单元的节点。

b.基础板网格划分：使用网格划分模块对两块基础板进行网格划分。

c.基础板网格平移：保持其中一块基础板网格不动，平移另一块基础板网格，使拼焊板的中心面位置与实际相符合。

所述的拼焊板实际上是由两块或者两块以上的基础板组成，这里所指的基础板是针对某一焊缝所相连的板材。

所述的几何处理模块、网格划分模块均可以采用前处理软件等现有技术实现，比如市售的HYPERMESH或ANSA。

第二步、双层梁焊缝模型建立

a.空间节点布置：在每个硬点位置上下布置两个空间节点，通过空间节点的准确布置，能够精确模拟出焊缝的形状；

b.双层梁制作：沿着焊缝方向将两块基础板上下方的两排空间节点以Huges-liu减缩梁(一种基于退化了的8节点实体单元的梁单元形式)一一连接，形成两排空间梁单元结构；

c.将梁与基础板连接：用刚性连接单元(Nodal-Rigid-Body)将硬点处节点和所建立的双层梁节点约束在一起。

第三步、双层梁单元的属性赋值

a.梁单元材料属性赋值：拼焊板焊缝材料以各向同性及率无关的Ludwick-Hollomon材料模型(幂指数塑性材料模型)对所建双层梁单元进行赋值，使焊缝模型材料与实际焊缝材料相一致；

b.梁单元截面属性赋值：按照尺寸公式对所建双层梁单元截面属性进行参数赋值，使焊缝与实际情况具有相同的横截面面积，进而具有与实际情况相同的强度。

第四步、将所建立的拼焊板焊缝模型连同基础板网格模型移入碰撞有限元计算模型，双层梁单元提供了快速、正确的焊缝有限元模型。通过有限元解算程序的仿真，最终可以获得正确的拼焊板零件变形模式，进而辅助汽车结构设计人员迅速、准确地评估拼焊板零件的耐撞性能，为拼焊板零件的进一步优化改进提供可靠的CAE分析支持。

本发明具有以下优点：1、建模过程简单。建立好基础板网格模型后，只需进行简单的节点布置、单元连接与属性赋值，并且参数修改容易。2、能够正确模拟焊缝在冲击作用下的动力学行为和变形模式。由于建立的焊缝模型综合考虑了焊缝几何形状和材料属性，因此能够正确模拟焊缝在冲击碰撞过程中的动力学行为，而且由于考虑到了基础板之间的非连续性，使拼焊板的变形模式与真实情况相一致。3、仿真解算效率高。双层梁焊缝模型是由Huges-liu梁和刚性连接单元组成，而这些单元都具有很高的解算效率，因此基本不增加解算成本。4、仿真解算稳定。组成双层梁焊缝模型的梁单元具有很高的仿真解算稳定性，在壳单元和实体单元中经常出现的射点、负体积等解算不稳定现象不会在双层梁模型中出现。

附图说明

图1为本发明方法流程图

图2为帽形拼焊板试件实物图

图3为硬点布置示意图

图4为网格单元示意图

图5为拼焊板的横截面示意图

图6为拼焊板帽形梁网格模型

图7为双层梁单元焊缝模拟方法示意图

图8为双层梁有限元模型

图9为梁单元的局部坐标系

图10为仿真结果与试验结果的变形模式对比图，其中：图a为共节点焊缝模型、b为刚性连接焊缝模型、c为双层梁焊缝模型、d为试验结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下实施例是按照如图1所示的流程进行实施的，模拟由三段基础板(基础板1、基础板2、基础板3)组成的拼焊板帽形直梁在一端固定的情况下，垂直方向受到重量为293.3kg的落锤以42km/h的初速度撞击，帽形梁总长为1000mm，由两条焊缝(焊缝1、焊缝2)平均分割成厚度分别为0.7mm、1.8mm和1.2mm的拼焊板母板，截面尺寸为100×75mm²，试件实物如图2所示。具体如下：

1、基础板建模

a.基础板硬点布置：利用几何处理模块在基础板与焊缝相连边界处均匀布置硬点，该模块是采用ALTAIR公司专业前处理软件HYPERMESH(可以直接从市场购买)实现的，硬点间距与规定的单元网格尺寸相一致，并且通过映射的方式使两块基础板上的硬点一一对应，图3显示的是几何处理时的硬点布置示意图；

b.基础板网格划分：使用软件HYPERMESH的网格划分功能对两块基础板进行网格划分，硬点处布置节点，临近焊缝区域的网格须与焊缝方向保持垂直，使应力在计算过程中通过焊缝单元正确传递，图4是焊缝周围的网格单元示意图；

c.基础板网格平移：保持其中一块基础板网格不动，利用offset功能平移另一块基础板网格，使拼焊板的中心面位置与实际相符合，移动距离为(t₂-t₁)/2，t₁和t₂分别为薄基础板和厚基础板的厚度(见图5)。

由于本实例中三块基础板板厚分别为0.7mm、1.8mm和1.2mm，因此保持最厚的基础板不动，将其它两块基础板分别移动：

$d_1=\frac{1.8-0.7}{2}=0.5\mathrm{mm}$和$d_2=\frac{1.8-1.2}{2}=0.3\mathrm{mm}$

最终处理好的帽形拼焊板直梁网格模型如图6所示。

2、双层梁焊缝模型建立

a.空间节点布置：在每个硬点上下布置两个空间节点，这些节点将作为梁单元上的端点。保持梁1与基础板单元平行，同时使得梁2贴近焊缝的上表面(见图7)，假设厚度比t₂∶t₁不超过3，节点与基础板中心面的垂直距离为：

$h_i=\left(\begin{array}{cc}\frac{{2t}_1-t_2}{8},& i=\mathrm{1,3}\\ \frac{{3t}_2-t_1}{8},& i=\mathrm{2,4}\end{array}\right)$

式中h_i(i＝1，3)表示节点i和薄基础的垂直距离，h_i(i＝2，4)则是节点i和厚母板的垂直距离。将已知参数带入上述公式，可以得到焊缝1处(见图2)空间节点位置：

$h_1^1=h_3^1=0.5875\mathrm{mm}$和$h_2^1=h_4^1=0.0375\mathrm{mm}$

以及焊缝2处的空间节点位置：

$h_1^2=h_3^2=0.5250\mathrm{mm}$和$h_2^2=h_4^2=0.2250\mathrm{mm}$

通过空间节点的准确布置，能够精确模拟出焊缝的形状；

b.双层梁制作：沿着焊缝方向将两块基础板上下方的两排空间节点以Huges-liu减缩梁一一连接，形成两排空间梁单元结构；

c.将梁与基础板连接：用刚性连接单元将硬点处节点和所建立的双层梁单元节点约束在一起，使焊缝模型与基础板模型相结合在一起，形成的双层梁焊缝模型如图8所示。

3、双层梁单元的属性赋值

a.梁单元材料属性赋值：拼焊板焊缝材料以各向同性及率无关的Ludwick-Hollomon材料模型，即LS/DYNA中的18号材料*MAT_POWER-LAW_PLASTICITY进行赋值：

                            σ＝Kεⁿ

式中，σ为真实应力，ε为真实应变，K和n分别是强度系数和应变硬化指数，可以通过实验方式来获得，本实例中的K值和n值分别为1165MPa和0.1154；

b.梁单元截面属性赋值：按照尺寸公式对梁单元截面属性进行参数赋值，尺寸公式为：

$t_{\mathrm{si}}=\frac{t_1+t_2}{4},i=\mathrm{1,2}$

$t_{\mathrm{ti}}=\frac{L}{N},i=\mathrm{1,2}$

式中t_si和t_ti分别表示在s方向和t方向上梁i的厚度(见图9)；L是焊缝长度，N是焊缝相邻一侧壳单元的个数。最终使得焊缝与实际情况具有相同的材料体积，进而具有与实际情况相同的强度。

将本实例中的参数带入上述尺寸公式可以得到焊缝1处的梁单元厚度：

$t_{s1}^1=t_{s2}^1=0.625\mathrm{mm}$和$t_{t1}^1=t_{t2}^1=5\mathrm{mm}$

以及焊缝2处的梁单元厚度：

$t_{s1}^2=t_{s2}^2=0.750\mathrm{mm}$和$t_{t1}^2=t_{t2}^2=5\mathrm{mm}$

4、将所建立的拼焊板焊缝模型连同基础板网格模型移入碰撞有限元计算模型，同时，为了很好的对比仿真结果，本实例中引入了目前在汽车碰撞仿真中最常用也是唯一能够使用的共节点单元和刚性连接单元作为焊缝模型进行仿真对比。通过商业有限元解算程序LS/DYNA(为现有技术，可以直接市购)的仿真，最终可以获得帽形拼焊板直梁的变形结果，并将其与试验结果进行对比(见图10)。由于基础板1发生完全压溃，基础板2基本没有发生变形，因此主要差别在于基础板3的变形模式。从结果中可以发现采用双层梁单元作为焊缝模型的拼焊板直梁在受到冲击后其变形模式与试验结果基本一致，相对而言，采用共节点焊缝模型和刚性连接焊缝模型的变形模式与试验结果有着比较大的差别。

由于变形模式是汽车零件在汽车碰撞仿真中最为关键和直接的仿真拟和效果判断标准，因此，可以看出双层梁单元提供了快速、正确的焊缝有限元模型，进而可以辅助汽车结构设计人员迅速、准确地评估拼焊板零件的耐撞性能，为拼焊板零件的进一步优化改进提供可靠的CAE分析支持。