CN101261653A - 点焊连接失效数值模拟*** - Google Patents

Abstract

一种车身制造工程领域的点焊连接失效数值模拟***，本发明中，圆周应力失效判据生成模块根据点焊连接在冲击过程中的失效方式获得焊核圆周应力分布形式，生成圆周应力失效判据；失效极值应力及指数参数获得模块获得在四种外载荷的峰值条件下焊点临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值；焊点连接方式数值模拟模块中，建立拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种试样数值模型；显式动力学分析模块耦合圆周应力失效判据，仿真获得焊点单元模型连续分布的内应力及失效时刻焊点单元承受的极值应力；焊点失效材料知识库模块存储各应力分量的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值。本发明提高碰撞仿真精度的同时不降低计算效率，降低设计开发成本。

Description

点焊连接失效数值模拟***

技术领域

本发明涉及的是一种汽车工程技术领域的计算机辅助***，具体是一种点焊连接失效数值模拟***。

背景技术

电阻点焊是现代汽车工业中基本的装配连接方式之一，车身结构主要由冲压薄板通过焊点连接而成，典型车身结构中包含4000-7000左右的焊点，焊核直径和焊点间距是由所连接的薄板板厚决定的，通常焊核直径在3-7mm之间，均值一般为6mm。在对汽车碰撞特性试验研究中发现，连接方式的失效对测试评价参数影响很大，焊点失效将在一定程度上影响车体结构的碰撞吸能特性和变形方式，因此在计算机仿真分析中如何建模以及选用合理的失效判据来真实体现这种失效行为一直是工程软件开发公司和汽车设计研发部门关注点之一。

工程中大规模CAE(计算机辅助工程分析)技术应用开始于20世纪90年代初，对焊点等连接方式的仿真模拟也随之发展，国内外学者对焊点模拟主要包括以下形式：节点耦合、杆、梁、弹簧、实体等。汽车碰撞仿真分析中对焊点的模拟考虑到便捷和实用性主要采用梁单元和实体单元，并于2006年开发了实体组模型。冲击过程中的焊点失效对结构变形及能量吸收影响很大，仿真分析中焊点模型必须配合合理的失效判据才能准确模拟这种失效过程，并影响后续计算结果，因此国内外学者对焊点失效的力学机理进行了广泛研究，并将之集成到商用有限元程序中，应用最为广泛的是力失效判据和丰田公司开发的应力失效判据。

经对现有技术文献的检索发现，施欲亮等在《机械工程学报》2007年第43卷第7期上发表的《基于汽车碰撞仿真的点焊连接关系有限元模拟方法》利用弹塑性梁单元对简单试件进行了仿真分析，并对分析结果的稳健性进行了研究。该仿真过程主要基于质点力学的力失效判据，对静态及准静态条件下的焊点破坏可以得到合理的仿真结果，但是对冲击过程中的焊点失效仿真，因为该类失效判据没有考虑焊点的真实几何形式和材料属性因而存在一定缺陷，在变速率的汽车冲击仿真过程中无法考虑应变率效应对焊点极限失效载荷的强化作用，因此仿真过程中无法灵活判断焊点的失效临界值，在整车级分析中会带来较大程度的计算误差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种点焊连接失效数值模拟***，根据焊点失效的具体形式，提出一种圆周失效的应力失效判据，利用典型试样试验验证和有限元法解析，获取失效判据必要参数，在整车或部件级冲击仿真过程中更精确地判断焊点部的断裂失效行为，提高整体仿真计算模型的精度，为车型前期开发设计提供保障。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：圆周应力失效判据生成模块、失效极值应力及指数参数获得模块、焊点连接方式数值模拟模块、显式动力学分析模块、焊点失效材料知识库模块，其中：

圆周应力失效判据生成模块根据点焊连接在冲击过程中的焊核圆周撕裂的失效方式，结合拉剪、拉伸、拉弯、拉扭组合受力方式的力学解析，获得焊核圆周应力分布形式，生成圆周应力失效判据，并传输至显式动力学分析模块；

失效极值应力及指数参数获得模块通过拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种载荷方式试验，获得在四种外载荷的峰值条件下焊点临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值，并传输至显式动力学分析模块以及焊点失效材料知识库模块；

焊点连接方式数值模拟模块，其在仿真建模过程中，焊点数值模型选择实体(组)型焊点单元，建立在两层或多层壳单元中间，壳单元模拟连接的金属板件，模拟焊点的真实几何形式，建立拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种试样数值模型并传输至显式动力学分析模块；

显式动力学分析模块是点焊连接失效数值模拟的计算执行模块，耦合圆周应力失效判据，并根据失效极值应力、焊点数值模型，实现点焊连接失效的数值模拟过程，仿真获得不同试样模型外载作用下焊点单元模型连续分布的内应力及失效时刻焊点单元承受的极值应力，并将所得到的仿真结果传输给焊点失效材料知识库模块，模拟物理过程中的点焊连接失效形式；

焊点失效材料知识库模块将显式动力学分析模块得到的仿真结果与试样试验结果进行对比分析后，判断各应力分量的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值是否合理，若满足试样试验结果，则将上述参数存储于焊点失效材料知识库中，如不满足，调整参数初值使仿真结果满足试验结果。

所述圆周应力失效判据生成模块，包括：圆周应力确定子模块、判据生成模块，其中：

圆周应力确定子模块依据点焊连接金属板类零件在冲击过程中的焊核圆周撕裂的失效形式，确定焊核结构受力方式为拉剪、拉伸、拉弯、拉扭的组合表达，根据各种具体受力类型得到三种焊点圆周应力：径向应力σ_r、轴向剪应力τ_z、周向剪应力τ_θ，并分别建立外力载荷与其之间的关系；

判据生成模块耦合三个焊点圆周应力，并以无量纲形式建立圆周应力失效判据，失效判据其公式如下：

${\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_r\stackrel{\·}{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\σ}}_r^F\stackrel{\·}{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\ξ}}+{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_z\stackrel{\·}{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\τ}}_z^F\stackrel{\·}{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\ψ}}+{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\θ}}\stackrel{\·}{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\θ}}^F\stackrel{\·}{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\ζ}}\≥1$

式中，

为焊点单元积分点处计算的有效塑性应变率，各应力σ_r、τ_z、τ_θ均表示有效塑性应变率的函数，σ_r ^F、τ_z ^F、τ_θ ^F为各应力对应的临界失效极值应力(高速冲击过程中可描述为应变率相关的函数形式)，ξ、ψ、ζ为各对应无量纲应力子项的指数参数；

所述径向应力σ_r，其仅与点焊结构的拉剪方式有关，用于预测拉剪作用下应力分布形式；

所述轴向剪应力τ_z，其仅与点焊结构的拉伸及拉弯两种受力方式有关，用于预测拉伸和拉弯载荷作用下的焊核圆周应力分布形式；

所述周向剪应力τ_θ，其仅与点焊结构拉扭方式有关，用于预测拉扭载荷作用下的应力分布形式。

所述失效极值应力及指数参数获得模块，包括：失效极值应力获得模块、失效指数参数获得模块，其中：

失效极值应力获得模块，其在拉剪试样、拉伸试样及拉弯试样、单点焊扭转试样失效过程中，记录各载荷与位移的曲线，当载荷处于峰值时，得到失效时刻圆周分布径向应力的极值、圆周分布焊核轴向剪应力τ_z极值、圆周分布周向剪应力τ_θ极值；

失效指数参数获得模块，根据失效判据方程，各失效应力与相应的应力极值之比的无量纲组合近似为三维椭球面，确定各无量纲应力子项指数ξ、ψ、ζ值为2。

所述焊点连接方式数值模拟模块，其所选择的焊点单元节点不必与壳单元节点直接连接，因而不会造成焊点单元的形状畸变或增加壳单元网格的划分难度，焊点单元与壳单元之间通过Tie(粘接)型接触方式连接。

所述显式动力学分析模块，是点焊连接失效数值模拟的计算执行模块，耦合圆周应力失效判据作为焊点材料模型的一部分，选择适用于金属材料描述的弹塑性本构关系，保障后续模拟过程中焊点模型以合理失效方式失效；根据失效极值应力及指数参数获得模块的数据和焊点连接方式数值模拟模块中建立的试样数值模型，计算分析中，计算焊点单元积分点处的应力值，通过与实验确定的临界失效极值应力比对，满足圆周应力失效判据后，焊点连接方式失效，焊点单元从试样数值模型中删除。

所述焊点失效材料知识库模块，对不同材料不同板厚及载荷形式下的失效行为进行验证，初始设定仿真模型焊点失效极值应力及失效形式，如果仿真结果与试验结果存在较大误差，在0-10％范围内调整参数初值，使仿真结果满足试验结果，并记录调整后的参数值，存储于焊点失效材料知识库中，最终获得的各参数值存入焊点失效材料知识库中，供整车级或部件级仿真过程应用。

在本发明工作时，如应在冲击过程中，焊点失效集中在承载区，非承载区焊点无失效现象，因此为平衡计算效率与计算精度的需要，整车级碰撞冲击仿真过程中，可在非承载区采用传统梁型焊点单元，节约计算时间；在承载区，特别是大变形区，采用前述实体或实体组型焊点单元，同时采用焊点圆周应力失效判据模拟焊点变形及失效行为，最大限度保证模拟精度，符合实际设计需要。并通过焊点连接方式模拟模块建立焊点数值模型，利用显式动力学分析模块执行计算分析，该过程中调用焊点失效材料知识库模块中确认的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数，配合圆周应力失效判据判别点焊连接失效行为，提高冲击仿真精度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)焊点圆周应力失效判据依据焊点的实际失效形式，综合考虑多种载荷作用下焊点失效时刻的应力分布状态，能够更真实的模拟焊点的破坏行为；(2)该判据适用于现有软件的典型焊点单元形式，可通过计算程序的材料模型扩展模块，与软件集成，方便使用，仿真结果接近实际物理样机的力学行为，能提高焊点模型的仿真精度20％左右；(3)该判据内各参数确定方便，通过简单拉剪、拉伸、拉弯、拉扭试样即可获得相应参数，工业生产中便于实现，与仿真分析结果比对后进行修正，可进入焊点材料失效知识库，为数值建模分析提供技术保证；(4)该判据与新型实体(组)焊点单元结合构成的点焊连接失效数值模拟方法可灵活使用于现代汽车工业碰撞仿真分析中，提高仿真精度的同时不降低计算效率，降低设计开发成本，可以在设计分析过程中广为使用，用以提高整车结构碰撞仿真的精度，增加设计成功的可能性，为企业带来更多的经济效益。

附图说明

图1为本发明的***结构框图；

图2为焊核几何形式及圆周应力示意图；

图3为拉剪方式实验示意图及应力预测分布图；

图4为拉伸方式实验示意图及应力预测分布图；

图5为拉弯方式实验示意图及应力预测分布图；

图6为拉扭方式实验示意图及应力预测分布图；

图7为实体单元与壳单元连接方式；

图8为三种类型的实体组焊点单元。

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。

如图1所示，本实施例包括：圆周应力失效判据生成模块、失效极值应力及指数参数获得模块、焊点连接方式数值模拟模块、显式动力学分析模块、焊点失效材料知识库模块，其中：

圆周应力失效判据生成模块根据点焊连接在冲击过程中的实际失效方式(焊核圆周撕裂)，结合拉剪、拉伸、拉弯、拉扭组合受力方式的力学解析，获得焊核圆周应力分布形式，生成圆周应力失效判据，并传输至显式动力学分析模块；

失效极值应力及指数参数获得模块通过拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种载荷方式试验，获得在四种外载荷的峰值条件下焊点临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值，并传输至显式动力学分析模块以及焊点失效材料知识库模块；

焊点连接方式数值模拟模块，其在仿真建模过程中，焊点数值模型选择实体(组)型焊点单元，建立在两层或多层壳单元中间，壳单元模拟连接的金属板件，模拟焊点的真实几何形式，建立拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种试样数值模型并传输至显式动力学分析模块；

显式动力学分析模块是点焊连接失效数值模拟的计算执行模块，耦合圆周应力失效判据，并根据失效极值应力、焊点数值模型，实现点焊连接失效的数值模拟过程，仿真获得不同试样模型外载作用下焊点单元模型连续分布的内应力及失效时刻焊点单元承受的极值应力，并将所得到的仿真结果传输给焊点失效材料知识库模块，模拟物理过程中的点焊连接失效形式；

焊点失效材料知识库模块将显式动力学分析模块得到的仿真结果与试样试验结果进行对比分析后，判断各应力分量的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值是否合理，若满足试样试验结果，则将上述参数存储于焊点失效材料知识库中，如不满足，调整参数初值使仿真结果满足试验结果。

所述圆周应力失效判据生成模块，包括：圆周应力确定子模块、判据生成模块，其中：

圆周应力确定子模块依据点焊连接金属板类零件在冲击过程中的实际失效形式(焊核圆周撕裂)，如图2所示，为失效时刻焊核几何形式及圆周应力表达方式，假设焊核为标准圆柱结构，焊核高度为焊接板料厚度之和。确定焊核结构受力方式为拉剪、拉伸、拉弯、拉扭的组合表达，根据各种具体受力类型得到三种焊点圆周应力：径向应力σ_r、轴向剪应力τ_z、周向剪应力τ_θ，并分别建立外力载荷与其之间的数值表达关系；

所述圆周分布径向应力σ_r仅与点焊结构的拉剪方式(图3(b))有关，假设其焊点圆周应力分布形式(图3(a))满足：

σ_r＝σ_rmaxcosθ

其中：σ_rmax为径向最大应力，θ为焊核截面周向转角，在外载横向拉力F_S作用下，界面应力与之平衡，获得径向最大应力与外载之间的数值表达：

${\mathrm{\σ}}_{r\max }=\frac{F_S}{\mathrm{\πrt}}$

r为焊核横截面内半径，t为焊核高度；

所述轴向剪应力τ_z与点焊结构的拉伸(图4(c))及拉弯(图5(c))两种受力方式有关。

假设拉伸载荷作用下焊核圆周应力分布形式介于图4(a)和(b)之间，图4(a)和(b)分别代表两种极限状态，因此拉伸载荷作用下焊核圆周应力分布应分别满足：

τ′_z＝τ′_zmaxcosθ和τ′_z＝τ′_zmax

τ′_zmax为轴向最大剪应力，在外载轴向拉力F_A作用下，界面应力与之平衡，此时轴向最大应力的数值表达：

${\mathrm{\&tau;}}_{z\max }^{\&prime;}=\frac{F_A}{\mathrm{\&alpha;rt}},(4<\mathrm{\&alpha;}<2\mathrm{\&pi;})$

其中：r为焊核横截面内半径，t为焊核高度；

假设拉弯载荷作用下焊核圆周应力分布形式介于图5(a)和(b)之间，即图5(a)和(b)分别代表两种极限状态，因此拉弯载荷作用下焊核圆周应力分布应分别满足：

τ″_z＝τ″_zmaxcosθ和τ″_z＝τ″_zmax

参数如前所述，在外载弯矩M_B作用下，界面应力与之平衡，此时轴向最大应力的数值表达：

${\mathrm{\&tau;}}_{z\max }^{\&prime;\&prime;}=\frac{M_B}{\mathrm{\&beta;}{r}^{2}t},(\mathrm{\&pi;}<\mathrm{\&beta;}<4)$

其中：r为焊核横截面内半径，t为焊核高度；

轴向剪力为两种载荷作用之和，耦合后轴向最大应力与外载之间的最终数值表达为：

${\mathrm{\&tau;}}_{z\max }=\frac{F_A}{4\mathrm{rt}}+\frac{M_B}{\mathrm{\&beta;}{r}^{2}t},(4<\mathrm{\&alpha;}<2\mathrm{\&pi;},\mathrm{\&pi;}<\mathrm{\&beta;}<4)$

式内各参数含义如前所述；

所述周向剪应力τ_θ仅与点焊结构拉扭方式(图6(b))有关，假设其焊点圆周应力分布形式(图6(a))满足：

τ_θ＝τ_θmax

τ_θmax为焊核周向最大应力，在外载周向扭矩M_T作用下，界面应力与之平衡，获得径向最大应力与外载之间的数值表达：

${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&theta;}\max }=\frac{M_T}{2\mathrm{\&pi;}{r}^{2}t}$

式内各参数含义如前所述；

判据生成模块耦合所述各种载荷形式下的焊点圆周应力描述，以无量纲形式描述焊点应力失效判据，该判据中任一应力参数都可描述为塑性应变率函数，以适应高速率冲击仿真焊点材料的应变率强化行为，该方程表达形式为：

${\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_r\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\&sigma;}}_r^F\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\&xi;}}+{\left(\frac{{\mathrm{\&tau;}}_z\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\&tau;}}_z^F\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\&psi;}}+{\left(\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&theta;}}\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&theta;}}^F\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\&zeta;}}\&GreaterEqual;1$

其中，

为焊点单元积分点处计算的有效塑性应变率，式中前述各应力分量均表示为有效塑性应变率的函数；σ_r ^F、τ_z ^F、τ_θ ^F为前述各应力对应的失效极值应力；ξ、ψ、ζ为各对应无量纲应力子项的指数参数。

所述失效极值应力及指数参数获得模块，包括：失效极值应力获得模块、失效指数参数获得模块，其中：

失效极值应力获得模块，其在拉剪试样、拉伸试样及拉弯试样、单点焊扭转试样失效过程中，记录各载荷与位移的曲线，当载荷处于峰值时，得到失效时刻圆周分布径向应力的极值、圆周分布焊核轴向剪应力τ_z极值、圆周分布周向剪应力τ_θ极值，具体如下：

①在单点焊拉剪试样(图3(b))失效过程中获得径向应力临界值，记录拉剪过程载荷-位移曲线，计算失效时刻正应力极值σ_r ^F；

②在加强型双U形(使用加强部件减少弯矩影响)拉伸试样(图4(c))及加强型双L形(使用加强部件减少拉力影响)拉弯试样(图5(c))的失效过程获得轴向剪应力临界值，记录外载作用下的载荷峰值，计算失效时刻耦合形式的剪应力极值τ_z ^F；

③在加强型U形(使用加强部件减少侧向不稳定性)拉扭试样(图6(b))扭转过程获得周向剪应力临界值，的载荷峰值，计算扭转载荷作用下的应力极值τ_θ ^F；

失效指数参数获得模块，根据失效判据方程，各失效应力与相应的应力极值之比的无量纲组合近似为三维椭球面，确定各无量纲应力子项指数ξ、ψ、ζ值为2。

所述焊点连接方式数值模拟模块，其仿真建模过程中，焊点数值模型选择实体或实体组型焊点单元，图7为连接在两层壳单元中间的实体型焊点单元，图8为三种类型的实体组焊点单元，实体组单元为06年开发的新型焊点模型，可以充分模拟焊点的真实几何形式，提高计算精度的同时不会明显降低模型的计算效率。图(a)、(b)、(c)分别为4、8、16实体组成的实体组焊点单元，单元建立在两层或多层壳单元(模拟连接金属板件)中间，焊点单元节点不必与壳单元节点直接连接，因而不会造成焊点单元的形状畸变或增加壳单元网格的划分难度，焊点单元与壳单元之间连接通过Tie(粘接)型接触方式实现。实体组单元为新型的焊点模型，可以充分模拟焊点的真实几何形式，提高计算精度的同时不会明显降低模型的计算效率。建立四种试样(拉剪、拉伸、拉弯、拉扭)数值模型并传输至显式动力学分析软件模块。

所述显式动力学分析模块，各通用有限元计算程度拥有各自独立的材料模型扩展模块(UMAT)，选择适用于金属材料描述的弹塑性本构关系，耦合圆周应力失效判据生成模块生成的圆周应力失效判据，作为焊点材料模型的一部分。

圆周应力失效判据适用于静态、准静态及瞬态冲击条件下的焊点圆周失效行为的仿真模拟，可集成至显式动力学分析模块的材料模型中，通过Cowper-Symonds模型(或Johnson-Cook模型)描述应变率效应，确认应变率效应对焊点材料失效应力的强化作用，拟合出模型参数，为结构级(或整车级)点焊结构失效仿真计算应用。

失效极值应力及指数参数获得模块获得的参数和焊点连接方式数值模拟模块中建立的试样数值模型均传递至显示动力学分析模块，计算分析中，计算焊点单元积分点处的应力值，通过与实验确定的临界失效极值应力比对，满足圆周应力失效判据后，焊点连接方式失效，焊点单元从试样数值模型中删除。

所述焊点失效材料知识库模块，通过对显式动力学分析软件模块计算的试样模型点焊连接失效形式与试样试验结果进行对比分析后，确认各应力分量的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值是否合理，修正后，通过不同速率及不同板厚、材料、焊核直径下的单点焊试样破坏实验，重复前述步骤，记录对应的临界应力值及指数参数，获得的各参数值进入焊点失效材料知识库中，以方便部件级(或整车级)仿真过程应用。

本实施例工作时，在冲击过程中焊点失效集中在承载区，非承载区焊点无失效现象，因此为平衡计算效率与计算精度的需要，整车级碰撞仿真过程中，可在非承载区采用传统梁型焊点单元，无失效准则判断，节约计算时间；在承载区，特别是大变形区，采用实体或实体组型焊点单元，同时采用所述新型焊点圆周应力失效准则模拟焊点变形及失效行为，最大限度保证模拟精度，符合实际设计需要。并通过焊点连接方式模拟模块建立焊点数值模型，利用显式动力学分析模块执行计算分析，该过程中调用焊点失效材料知识库模块中确认的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数，配合圆周应力失效判据判别点焊连接失效行为，提高冲击仿真精度。

本实施例与现有技术相比，可有效模拟冲击过程中的焊点失效过程，综合考虑多种载荷作用下焊点失效时刻的应力分布状态，真实的模拟焊点的破坏行为；适用于现有软件模块的各种焊点单元形式，不会与之产生冲突，计算效率高，特别适用于现代汽车工业的碰撞仿真分析，提高整车级碰撞仿真的精度20％左右，在一定程度上降低设计开发成本，为企业带来更多的经济效益。

Claims (8)

1、一种点焊连接失效数值模拟***，其特征在于，包括：圆周应力失效判据生成模块、失效极值应力及指数参数获得模块、焊点连接方式数值模拟模块、显式动力学分析模块、焊点失效材料知识库模块，其中：

圆周应力失效判据生成模块根据点焊连接在冲击过程中的焊核圆周撕裂的失效方式，结合拉剪、拉伸、拉弯、拉扭组合受力方式的力学解析，获得焊核圆周应力分布形式，生成圆周应力失效判据，并传输至显式动力学分析模块；

失效极值应力及指数参数获得模块通过拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种载荷方式试验，获得在四种外载荷的峰值条件下焊点临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值，并传输至显式动力学分析模块以及焊点失效材料知识库模块；

焊点连接方式数值模拟模块，其在仿真建模过程中，焊点数值模型选择实体或实体组型焊点单元，建立在两层或多层壳单元中间，壳单元模拟连接的金属板件，模拟焊点的真实几何形式，建立拉剪、拉伸、拉弯、拉扭四种试样数值模型并传输至显式动力学分析模块；

显式动力学分析模块是点焊连接失效数值模拟的计算执行模块，耦合圆周应力失效判据，并根据失效应力极值、焊点数值模型，实现点焊连接失效的数值模拟过程，仿真获得不同试样模型外载作用下焊点单元模型连续分布的内应力及失效时刻焊点单元承受的极值应力，并将所得到的仿真结果传输给焊点失效材料知识库模块，模拟物理过程中的点焊连接失效形式；

焊点失效材料知识库模块将显式动力学分析模块得到的仿真结果与试样试验结果进行对比分析后，判断各应力分量的临界失效应力极值及无量纲应力子项指数初值是否合理，若满足试样试验结果，则将上述参数存储于焊点失效材料知识库中，如不满足，调整参数初值使仿真结果满足试验结果。

2、根据权利要求1所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述圆周应力失效判据生成模块，包括：圆周应力确定子模块、判据生成模块，其中：

圆周应力确定子模块依据点焊连接金属板类零件在冲击过程中的失效形式，确定焊核结构受力方式为拉剪、拉伸、拉弯、拉扭的组合表达，根据各种具体受力类型得到三种焊点圆周应力：径向应力σ_r、轴向剪应力τ_z、周向剪应力τ_θ，并分别建立外力载荷与其之间的数值表达关系；

判据生成模块耦合三个焊点圆周应力，并以无量纲形式建立圆周应力失效判据，失效判据其公式如下：

${\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_r\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\&sigma;}}_r^F\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\&xi;}}+{\left(\frac{{\mathrm{\&tau;}}_z\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\&tau;}}_z^F\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\&psi;}}+{\left(\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&theta;}}\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}{{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&theta;}}^F\stackrel{\&CenterDot;}{\left({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{eff}}^p\right)}}\right)}^{\mathrm{\&zeta;}}\&GreaterEqual;1$

式中，

为焊点单元积分点处计算的有效塑性应变率，各应力σ_r、τ_z、τ_θ均表示有效塑性应变率的函数，σ_r ^F、τ_z ^F、τ_θ ^F为各应力对应的临界失效极值应力，在高速冲击过程中描述为应变率相关的函数形式，ξ、ψ、ζ为各对应无量纲应力子项的指数参数。

3、根据权利要求2所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述径向应力σ_r，其仅与点焊结构的拉剪方式有关，用于预测拉剪作用下应力分布形式。

4、根据权利要求2所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述轴向剪应力τ_z，其仅与点焊结构的拉伸及拉弯两种受力方式有关，用于预测拉伸和拉弯载荷作用下的焊核圆周应力分布形式。

5、根据权利要求2所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述周向剪应力τ_θ，其仅与点焊结构拉扭方式有关，用于预测拉扭载荷作用下的应力分布形式。

6、根据权利要求1所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述失效极值应力及指数参数获得模块，包括：失效极值应力获得模块、失效指数参数获得模块，其中：

失效极值应力获得模块，其在拉剪试样、拉伸试样及拉弯试样、单点焊扭转试样失效过程中，记录各载荷与位移的曲线，当载荷处于峰值时，分别得到失效时刻圆周分布径向应力的极值、圆周分布焊核轴向剪应力τ_z极值、圆周分布周向剪应力τ_θ极值；

失效指数参数获得模块，根据失效判据方程，各失效应力与相应的应力极值之比的无量纲组合近似为三维椭球面，确定各无量纲应力子项指数ξ、ψ、ζ值为2。

7、根据权利要求1所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述的焊点单元与壳单元，两者之间通过粘接型接触方式连接。

8、根据权利要求1所述的点焊连接失效数值模拟***，其特征是，所述焊点失效材料知识库模块，对各种材料、板厚及载荷形式下的失效行为进行验证，初始设定仿真模型焊点失效极值应力及失效形式，如果仿真结果与试验结果存在误差，在0-10％范围内调整参数初值，使仿真结果满足试验结果，并记录调整后的参数值，存储于焊点失效材料知识库中，最终获得的各参数值存入焊点失效材料知识库中，供整车级或部件级仿真过程应用。

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