基于前纵梁压溃仿真的焊点失效模拟及布置研究

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由于具有质量轻、静强度高、可靠性好、性能稳定和易于实现自动化等优点,在现代轿车的承载式车身中,连接车身的各个零部件普遍采用点焊装配技术。作为最主要的车身装配工艺手段,电阻点焊承担75%以上的轿车车身装配工作量,一辆轿车车身含有大概4000~6000个焊点,焊点的强度,失效情况以及焊点分布对车身性能的影响是不可忽视。随着碰撞仿真分析在汽车被动安全性设计中发挥着越来越重要的作用,对车身中的焊点及其失效进行正确的模拟成为提高碰撞仿真精度的重点和难点。因此,本文对车身前纵梁压溃过程中的焊点失效模拟进行了研究,并运用仿真方法研究了焊点布置对前纵梁变形吸能特性的影响,主要成果如下:(1)以前纵梁中的焊点失效为研究对象,确定了基于合力的焊点失效判据以及获得焊点失效判据中相关参数的KSII试验方法。首先对前纵梁正面碰撞过程中的焊点受力进行分析,明确导致焊点失效的各种载荷形式,结合LS-DYNA碰撞仿真分析软件平台,选择基于合力的焊点失效判据;然后针对目前用于确定失效判据中失效参数的相应试验方法的不足,提出采用KSII点焊试样及其试验确定焊点失效判据中的焊点失效参数,并设计了相应的KSII拉伸试验装置;最后通过焊点料片实验,对不同焊点直径下的KSII0°试验与Lap-shear试验获得的焊点剪切强度进行对比分析,结果显示,当焊点直径大于标准焊点直径时,KSII0°试验的焊点剪切强度比Lap-shear大9.2%,KSII0°试验消除了弯矩作用,减小了焊点的旋转,表明KSII0°试验的测量结果更真实地反映了焊点的抗剪切能力。(2)研究了基于KSII试验的焊点失效模型的建立方法,并通过前纵梁压溃试验验证了模型的有效性。首先建立焊点的失效模型,焊点单元选择LS-DYNA平台的8-HEX实体单元束焊点模型,利用简化的KSII0°仿真证明该焊点单元具有接触可靠的特点,为后续焊点受力的准确模拟奠定了良好的基础;然后由KSII0°仿真得知,焊点材料参数对焊点的力-位移曲线有重要影响,通过采用仿真与实验相结合的联合仿真方法,对焊点材料参数进行了修正,确定焊点材料参数中的焊点屈服强度和切变模量,修正后的KSII0°仿真力-位移曲线与实验结果非常接近;接着通过KSII90°和Lap-shear试验及其仿真对所建立的焊点失效模型的进行验证,KSII90°的仿真与试验结果对比表明修正后的焊点材料是合适的,而Lap-shear的结果则进一步证明焊点失效判据的准确性。最后进行了前纵梁静态压溃仿真和试验,对比分析仿真与试验结果,验证了前纵梁压溃过程中焊点失效模拟方法的有效性和精度,表明基于KSII试验的焊点失效模型具有较高的模拟精度。(3)利用前纵梁的压溃仿真研究了焊点布置对前纵梁变形吸能特性的影响。根据薄壁梁溃缩式变形模式的典型特征——波状屈曲变形,确定焊点位于屈曲波形的波峰波谷(统称为“极值位置”)和焊点位于屈曲波形的平衡位置的两种焊点布置方案。分别对焊点位于极值位置和焊点位于平衡位置的薄壁直梁和前纵梁的压溃过程进行有限元建模和仿真分析。分析仿真结果并结合相关文献资料后认为,对于薄壁直梁的压溃,焊点位于屈曲波形平衡位置的薄壁直梁比焊点位于极值位置的薄壁直梁在压溃过程中具有更好的变形吸能特性;论文对含有诱导槽和孔洞等局部结构特征的点焊连接前纵梁布置进行了对比研究,发现焊点布置位置对前纵梁的变形吸能没有显著作用,其压溃过程中的变形吸能水平主要受局部结构特征的影响,即焊点布置对前纵梁压溃变形吸能的影响小于前纵梁的局部结构特征,该结论可以为前纵梁的结构设计和焊点布置提供参考。
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