CN104573392A - 一种焊点疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤1、整车建模，建立模块化焊点有限元模型；步骤2、推导焊点疲劳寿命评价参量：平均应力强度因子步骤3、对不同材料的点焊接头进行***的疲劳试验，将与不同材料的点焊接头的疲劳试验数据进行回归分析，得到不同材料点焊接头曲线。本发明采用一种模块化焊点模型来预测焊点疲劳寿命，在具体应用中只需将模块化的焊点模型边界单元的节点与焊接结构单元节点重合即可，提高整车建模中焊点建模的效率。

Description

一种焊点疲劳寿命预测方法

发明领域

本发明涉及一种焊接疲劳失效预测，尤其涉及一种焊点疲劳寿命预测方法。

背景技术

电阻点焊是汽车装配中传统的焊接工艺，汽车中大部分部件之间的连接接头形式是按照电阻点焊要求来设计的，而且电阻点焊非常适用于车身这种薄板结构的搭接。据统计大约50％的汽车结构的疲劳问题和焊点有关，大约80％的车身疲劳问题和焊点有关，因此可以说焊点的疲劳强度决定了汽车构件的耐久性。因此，在设计的早期运用计算机辅助分析的手段，对车身焊点进行疲劳寿命预测，对于有效降低生产成本，缩短汽车设计开发周期，提高产品的质量有着重要的现实意义。

目前，焊点疲劳寿命预测主要有两种方法：一种是基于力的LBF法，该方法采用梁单元模拟焊核，通过作用在焊核梁单元上的力和力矩，按照一定的数学公式推算焊接板材上的结构应力来评价焊点疲劳寿命，由于梁单元不能传递壳单元上的扭转力矩，且结构应力的计算采用较多的经验参数，因此预测精度较低；另一种是基于应力的LMS预测方法，该方法采用非常精细化的焊点模型，直接通过有限元计算焊接板材的局部应力来预测焊点疲劳寿命，具有一定的预测精度，但应用于整车的焊点疲劳预测中，则建模和计算效率偏低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的焊点疲劳预测方法所存在的预测精度偏低、建模和计算效率偏低等问题。

本发明的技术方案是提供了一种焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：

步骤1、整车建模，建立模块化焊点有限元模型；

步骤2、推导焊点疲劳寿命评价参量：平均应力强度因子

步骤3、对不同材料的点焊接头进行***的疲劳试验，将与不同材料的点焊接头的疲劳试验数据进行回归分析，得到不同材料点焊接头曲线。

进一步地，步骤2中，平均应力强度因子推导过程如下：

(1)通过CAE分析可得到不同工况条件下整车模型中焊点焊核周围各节点的节点力和力矩，并通过坐标变换转化为各节点局部坐标系下的节点力F_x、F_y、F_z和节点力矩M_x、M_y、M_z；

(2)将节点力F_x、F_y、F_z转换为线性力f_x、f_y、f_z，节点力矩M_x、M_y、M_z转换为线性力矩m_x、m_y、m_z；

(3)推算相应节点处结构应力σ_m、σ_b，其中，由焊点周围各节点的线性力和力矩，按式(2)得到相应节点处的结构应力：

σ_m＝f_y/t

σ_b＝6m_x/t² (2)

式中，σ_m为焊点周围各节点处的膜应力，σ_b为焊点周围各节点处的弯应力，f_y、m_x分别为局部坐标系下y、x方向上的线性力和力矩，t为焊接母板的厚度；

(4)对节点处结构应力进行裂纹扩展角α的修正，其中，经过焊点实际裂纹扩展角度α修正的结构应力：

σ_mxz＝(f_y sinα-f_z cosα)sinα/t

式中，σ_mxz为经过α修正的膜应力，σ_bxz为经过α修正的弯应力，t为焊接母板厚度，α为实际的裂纹扩展角度，f_y、f_z、m_x分别为局部坐标系下y、z、x方向上的线性力和力矩；

(5)对膜应力的应力强度因子ΔK_m、弯应力的应力强度因子ΔK_b、总应力强度因子ΔK进行推算，其中总应力强度因子：

$\mathrm{\ΔK}=\mathrm{\Δ}{K}_m+\mathrm{\Δ}{K}_b=\sqrt{\mathrm{\πa}}[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mxz}}{f}_m\left(\frac{a}{t_r}\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bxz}}{f}_b\left(\frac{a}{t_r}\right)]---\left(4\right)$

式中：ΔK_m为对应膜应力的应力强度因子，ΔK_b为对应弯应力的应力强度因子，ΔK为总应力强度因子，为应力强度因子对应膜应力的几何修正系数，为应力强度因子对应弯应力的几何修正系数；

(6)对平均应力强度因子进行推算，取裂纹在板厚方向上扩展过程中的平均应力强度因子作为焊点疲劳寿命的评价参量：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔK}}={\∫}_{\frac{a}{t}=0}^{\frac{a}{t}=1}\mathrm{\ΔKd}\frac{a}{t}={\∫}_{\frac{a}{t}=0}^{\frac{a}{t}=1}\sqrt{\mathrm{\πa}}[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mxz}}{f}_m\left(\frac{a}{t}\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bxz}}{f}_b\left(\frac{a}{t}\right)]d\frac{a}{t}---\left(7\right)$

经计算得到：

进一步地，焊点的焊核使用两层实体单元模拟，每层由四个实体单元组成，形成一个等边八边形，直径取焊核的实际直径，焊核材料假定与母材一致

本发明的有益效果：

(1)、本发明采用一种模块化焊点模型来预测焊点疲劳寿命，在具体应用中只需将模块化的焊点模型边界单元的节点与焊接结构单元节点重合即可，提高整车建模中焊点建模的效率。

(2)该模型进行焊点疲劳仿真分析主要有两个优点：一是使用多个体单元模拟焊核，并单独区分了焊核、热影响区和母材区，更加符合焊点实际的物理几何特征；二是由于采用模块化模型将焊点网格尺寸加以固定，所得的结构应力结果将不受网格大小的影响。

(3)在实际的焊点疲劳寿命预测中，先通过有限元分析获得焊核周围各节点的节点力和力矩，根据做功相等原理由节点力和力矩计算得到各节点相应的结构应力，并根据裂纹在板厚方向上的的实际扩展角度对其进行修正，由此经过修正的结构应力可计算得到相应节点处的应力强度因子，进而得到一个在焊点裂纹在其实际扩展路径上的平均应力强度因子作为焊点疲劳寿命的评价参量。

(4)由于采用平均应力强度因子作为焊点疲劳寿命的评价参量，只需计算焊点周围的节点力和力矩作为输入，且焊点疲劳寿命计算中考虑裂纹实际扩展角度的影响，因此计算效率及预测精度相对较高。

附图说明

图1是本发明所述的一种焊点疲劳寿命预测方法的流程图；

图2是本发明所述的焊点模块化有限元模型单元；

图3是本发明所述的节点整体和局部坐标系；

图4是典型点焊搭接接头疲劳失效模式示意图；

图5是焊接钣金结构应力的组成成分示意图；

图6是疲劳试验点焊接头试样尺寸示意图；

图7是疲劳试验所得试样的载荷幅值-疲劳寿命双对数分布示意图；

图8是依据疲劳试验点焊接头尺寸建立的点焊接头模块化有限元模型示意图；

图9是平均应力强度因子-疲劳寿命的双对数分布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1-9对本发明的技术方案进行详细说明

本发明提供了一种焊点疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1、整车建模，建立模块化焊点有限元模型

在整车建模中，建立的模块化焊点有限元模型如图2所示，焊点的焊核使用两层实体单元模拟，为了解决焊点有限元模型与结构网格匹配的问题，每层由四个实体单元组成，形成一个等边八边形，直径取焊核的实际直径，焊核材料假定与母材一致。然后，通过三圈壳单元逐步过渡到10×10mm的基本网格尺寸。

在焊核区上下表面覆盖一层壳网格，为解决壳网格与实体网格节点自由度匹配的问题，将焊核周围的第一圈网格定义为焊点热影响区，沿焊点直径方向上的宽度取2mm，焊点热影响区材料厚度、类型与焊接母材一致。剩下的两圈网格为焊点母材区，其最外边界由两个单元边组成，从而可完成焊点网格尺寸到基本网格尺寸的过度。

建立好整车模型后，就可以对其进行有限元分析得到不同工况下车身焊点焊核周围各节点的节点力和力矩，再由断裂力学理论将节点力和力矩转换成平均应力强度因子则该可作为焊点疲劳寿命的评价参量，将焊点周围各节点处的平均应力强度因子与其对应材料的点焊接头的曲线相关联，便可得到相应焊点的疲劳寿命N。下面将对焊点疲劳寿命评价参量的推导和不同材料的点焊接头曲线的获取作详细介绍。

步骤2、推导焊点疲劳寿命评价参量：平均应力强度因子

采用上述模块化建模方法建立整车及焊点有限元模型后，需要推导出焊点疲劳寿命的评价参量，具体推导过程如下：

(1)通过CAE分析可得到不同工况条件下整车模型中焊点焊核周围各节点的节点力和力矩，并通过坐标变换转化为各节点局部坐标系下的节点力F_x、F_y、F_z和节点力矩M_x、M_y、M_z。转换坐标见图3，其中(x′，y′，z′)为整体坐标系，(x，y，z)为某节点的局部坐标系。

(2)将节点力F_x、F_y、F_z转换为线性力f_x、f_y、f_z，节点力矩M_x、M_y、M_z转换为线性力矩m_x、m_y、m_z

根据做功相等原理通过式(1)将节点力F_x、F_y、F_z转化成各节点相应的线性力f_x、f_y、f_z，下式即为由焊核周围各节点x向的节点力F_x1、F_x2、F_x3…F_x(n-1)推算得到各节点x向的线性力f_x1、f_x2、f_x3…f_x(n-1)的矩阵公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{x1}\\ F_{x2}\\ F_{x3}\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ F_{x(n-1)}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}\frac{1_1+1_{n-1}}{3}& \frac{1_1}{6}& 0& 0& ...& \frac{1_{n-1}}{6}\\ \frac{1_1}{6}& \frac{1_1+1_2}{3}& \frac{1_2}{6}& 0& ...& ...\\ 0& \frac{1_2}{6}& \frac{1_2+1_3}{3}& \frac{1_3}{6}& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ ...& ...& ...& ...& ...& ...\\ \frac{1_{n-1}}{6}& 0& 0& 0& \frac{1_{n-2}}{6}& \frac{1_{n-2}+1_{n-1}}{3}\end{array}\right]\×\left\{\begin{array}{c}{f}_{x1}\\ f_{x2}\\ f_{x3}\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ .\\ f_{x(n-1)}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中:如图3所示，1、2、3…n-1为焊核周围各节点的编号，由于本文采用的焊点模型焊核周围有八个节点，所以n取9，又由于焊核为环状，节点1与n重合，所以节点力只需取到n-1；F_x1、F_x2、F_x3…F_x(n-1)为各节点x向的节点力；f_x1、f_x2、f_x3…f_x(n-1)为各节点x向的线性力；l₁、l₂、l₃…l_n-1为焊核周围各节点间距；与之类似，焊点周围各节点y向和z向的线性力也可由y向和z向的节点力通过相同的矩阵公式得到，只需将式中的下标x改为y、z。

同样的，节点线性力矩m_x、m_y、m_z也可由节点力矩M_x、M_y、M_z通过相同的转换矩阵得到，只需将矩阵公式中的F改为M，f改为m。

(3)推算相应节点处结构应力σ_m、σ_b

由焊点周围各节点的线性力和力矩，按式(2)可以得到相应节点处的结构应力：

σ_m＝f_y/t

σ_b＝6m_x/t² (2)

式中，σ_m为焊点周围各节点处的膜应力，σ_b为焊点周围各节点处的弯应力，f_y、m_x分别为局部坐标系下y、x方向上的线性力和力矩，t为焊接母板的厚度。

(4)对节点处结构应力进行裂纹扩展角α的修正

由于焊点的疲劳失效是由于贯穿板厚的裂纹扩展所造成的，但是裂纹在板厚方向的扩展并不是完全平行于板厚方向，而是成一角度α，角度α的大小与焊点接头的材料、板厚等参数有关，图4所示为搭接点焊接头的典型疲劳失效模式。则由式(3)可得到经过焊点实际裂纹扩展角度α修正的结构应力：

σ_mxz＝(f_y sinα-f_z cosα)sinα/t

图5所示为焊接钣金结构应力的组成成分，其中σ_mxz为经过α修正的膜应力，σ_bxz为经过α修正的弯应力，t为焊接母板厚度，α为实际的裂纹扩展角度，f_y、f_z、m_x分别为局部坐标系下y、z、x方向上的线性力和力矩。

(5)对膜应力的应力强度因子ΔK_m、弯应力的应力强度因子ΔK_b、总应力强度因子ΔK进行推算

由式(4)可得到总应力强度因子：

$\mathrm{\ΔK}=\mathrm{\Δ}{K}_m+\mathrm{\Δ}{K}_b=\sqrt{\mathrm{\πa}}[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mxz}}{f}_m\left(\frac{a}{t_r}\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bxz}}{f}_b\left(\frac{a}{t_r}\right)]---\left(4\right)$

其中ΔK_m为对应膜应力的应力强度因子，ΔK_b为对应弯应力的应力强度因子，ΔK为总应力强度因子，为应力强度因子对应膜应力的几何修正系数，为应力强度因子对应弯应力的几何修正系数，表达式如下：

$\begin{array}{c}{f}_m\left(\frac{a}{t_r}\right)=[1.1214-1.6349\left(\frac{a}{t_r}\right)+7.3168{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^2-18.7746{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^3+31.8028{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^4-33.2295{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^5\\ +19.1286{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^6-4.609{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^7]/{(1-\frac{a}{t_r})}^{3/1}---\left(5\right)\end{array}$

$f_b\left(\frac{a}{t_r}\right)=\left[\underset{n=0}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n{\left(\frac{a}{t_r}\right)}^n\right]/{(1-\frac{a}{t_r})}^{3/2}---\left(6\right)$

式中，C₀＝1.12152，C₁＝-3.04057，C₂＝10.49184，C₃＝-36.6678，C₄＝110.099，C₅＝-255.68184，C₆＝421.97167，C₇＝-440.50866，C₈＝199.37326，C₉＝123.93056，C₁₀＝-237.97164，C₁₁＝136.17068，C₁₂＝-28.91005；a为某时刻已经存在的裂纹长度，t_r为疲劳断裂临界裂纹长度，t_r＝t/sinα。

(6)对平均应力强度因子进行推算

由于点焊接头在板厚方向上的裂纹扩展寿命占其整个疲劳寿命的80％以上，因此我们可以合理的假定疲劳断裂临界裂纹长度t_r≈t，且疲劳裂纹从a＝0开始直至扩展到a＝t时断裂，则可取裂纹在板厚方向上扩展过程中的平均应力强度因子作为焊点疲劳寿命的评价参量：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔK}}={\∫}_{\frac{a}{t}=0}^{\frac{a}{t}=1}\mathrm{\ΔKd}\frac{a}{t}={\∫}_{\frac{a}{t}=0}^{\frac{a}{t}=1}\sqrt{\mathrm{\πa}}[{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mxz}}{f}_m\left(\frac{a}{t}\right)+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{bxz}}{f}_b\left(\frac{a}{t}\right)]d\frac{a}{t}---\left(7\right)$

经计算得到：

上述计算公式中，相同的字母表示相同的物理量，因此不再每个公式中重复描述相应字母的含义。

步骤3、对不同材料的点焊接头进行***的疲劳试验，将与不同材料的点焊接头的疲劳试验数据进行回归分析，得到不同材料点焊接头曲线。

对不同材料的点焊接头进行***的疲劳试验，将与不同材料的点焊接头的疲劳试验数据进行回归分析，可以得到不同材料点焊接头所对应的曲线。与传统的疲劳分析中的S-N曲线类似，在实车疲劳分析中可用这些曲线对焊点的疲劳寿命进行有限元仿真预测，即通过有限元分析计算得到车身不同焊点的平均应力强度因子再通过对应的曲线得到相应的疲劳寿命。

下面将提供一个采用本文方法获得DP600GI材料点焊接头的曲线的方法实例：

首先要设计点焊接头的剪切疲劳试验。选取一种高强钢材料DP600GI作为试验对象，将点焊试样的板厚制成0.8mm、1.0mm、1.5mm和1.8mm四种，为了保证获得的点焊接头的一致性，所有试样的几何尺寸都保持一致(见图6)，焊接钢板都是同种厚度的组合，焊核直径统一为7.0mm。

由于车身焊点主要承受剪切载荷，试验只关注各个焊点样件的剪切疲劳寿命，将HSLA340GI 4种板厚组合的点焊样件在电液伺服疲劳试验机上进行剪切疲劳实验，试验过程中加载载荷比R为0.1，加载频率为10Hz。疲劳试验所得的疲劳数据可以用载荷幅值-疲劳寿命的双对数分布图表示(见图7)。

接下来需要通过有限元分析获得不同厚度的点焊接头的疲劳寿命评价参量首先按照疲劳试验的样件尺寸建立模块化点焊接头有限元模型(见图8)，为保持与疲劳试验条件的一致性，焊核直径取7.0mm，试样一端约束全部六个自由度，另一端施加载荷，载荷受力点约束除加载方向的全部自由度。材料属性均为线弹性，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7.85×10³kg/m³。

对建好的模型进行有限元分析并采用本文的推导方法计算得到不同厚度点焊接头的平均应力强度因子并与焊点的疲劳寿命数据进行双对数回归分析，分析结果见图9。从图上可以看出，所有不同厚度的焊点样件的疲劳寿命点都紧密的分布于拟合直线附近，拟合直线的相关度达到R²＝-0.95，因此我们可以得到一条主曲线如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔK}}={87799N}^{-0.2201}---\left(9\right)$

则该条曲线即是DP600GI点焊接头的曲线，其他材料点焊接头的曲线亦可以采用同样方法通过疲劳试验得到。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (3)

1.一种焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：

步骤1、整车建模，建立模块化焊点有限元模型；

步骤2、推导焊点疲劳寿命评价参量：平均应力强度因子

步骤3、对不同材料的点焊接头进行***的疲劳试验，将与不同材料的点焊接头的疲劳试验数据进行回归分析，得到不同材料点焊接头曲线。

2.根据权利要求1所述的焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤2中，平均应力强度因子推导过程如下：

(1)通过CAE分析可得到不同工况条件下整车模型中焊点焊核周围各节点的节点力和力矩，并通过坐标变换转化为各节点局部坐标系下的节点力F_x、F_y、F_z和节点力矩M_x、M_y、M_z；

(2)将节点力F_x、F_y、F_z转换为线性力f_x、f_y、f_z，节点力矩M_x、M_y、M_z转换为线性力矩m_x、m_y、m_z；

(3)推算相应节点处结构应力σ_m、σ_b，其中，由焊点周围各节点的线性力和力矩，按式(2)得到相应节点处的结构应力：

σ_m＝f_y/t

σ_b＝6m_x/t² (2)

式中，σ_m为焊点周围各节点处的膜应力，σ_b为焊点周围各节点处的弯应力，f_y、m_x分别为局部坐标系下y、x方向上的线性力和力矩，t为焊接母板的厚度；

(4)对节点处结构应力进行裂纹扩展角α的修正，其中，经过焊点实际裂纹扩展角度α修正的结构应力：

σ_mxz＝(f_ysinα-f_zcosα)sinα/t

式中，σ_mxz为经过α修正的膜应力，σ_bxz为经过α修正的弯应力，t为焊接母板厚度，α为实际的裂纹扩展角度，f_y、f_z、m_x分别为局部坐标系下y、z、x方向上的线性力和力矩；

(5)对膜应力的应力强度因子ΔK_m、弯应力的应力强度因子ΔK_b、总应力强度 因子ΔK进行推算，其中总应力强度因子：

式中：ΔK_m为对应膜应力的应力强度因子，ΔK_b为对应弯应力的应力强度因子，ΔK为总应力强度因子，为应力强度因子对应膜应力的几何修正系数，为应力强度因子对应弯应力的几何修正系数；

(6)对平均应力强度因子进行推算，取裂纹在板厚方向上扩展过程中的平均应力强度因子作为焊点疲劳寿命的评价参量：

经计算得到：

3.根据权利要求1所述的焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：焊点的焊核使用两层实体单元模拟，每层由四个实体单元组成，形成一个等边八边形，直径取焊核的实际直径，焊核材料假定与母材一致。