一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，属于点焊数值模拟领域，适用于尺寸大、焊点多的钣金件。该方法提出了精简整机身焊点信息的分类方法、用试片级构件全耦合模拟获取点焊压痕的方法、分类焊点模型、工艺、材料和成形等信息的数据库建立方法、焊点及其周围节点的位移矢量计算方法、基于局部区域固定位移的静态结构分析方法。采用本发明专利技术提出的快速模拟方法对具有3块板、12个焊点、网格数量约6.5万的钣金构件进行了试算，所得模拟结果与精度最高的全耦合模拟相近，但模拟时间却从16.7小时缩短到1.3小时，效率提升达92％。此外，本发明专利技术充分考虑了焊接类和非焊接类CAE分析的网格模型的重复使用。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法
本专利技术提出的一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，属于电阻点焊数值模拟
，适用于网格数量庞大、焊点数量繁多的复杂钣金构件电阻点焊的残余应力和变形的快速有限元模拟，也适用于整机身构件连续点焊工序的点焊模拟，同样适用于以采用逆向工程技术获取的实际冲压构件反向几何模型为基础的点焊模拟，但仅适用于采用球头电极实施的点焊。
技术介绍
电阻点焊因成本低、效率高、可靠性有保障而成为钣金构件的主要连接方法，点焊过程中涉及复杂的电-热-力现象。尽管点焊区域比构件的整体尺寸小得多，但在这个小区域内却存在着复杂的三维应力并引发整个构件的变形，在通过数值模拟手段准确研究该应力或变形时，往往需要采用电-热-结构全耦合的弹塑性瞬态模拟方法、基于细密网格和温度相关的材料模型准确获取点焊过程中的电流状态、温度分布，进而得到变形分布和应力状态，其中涉及复杂的电-热、热-结构耦合求解，还包括电极-工件、夹具-工件、工件-工件的接触计算。随着计算机技术和性能的提升，这类研究在具有单个焊点或少数焊点的简单构件中是可行的。但对于飞机蒙皮、轨道车辆等尺寸庞大且几何形貌复杂的总成构件，不仅存在由于尺寸庞大引起的网格数量庞大的问题，还存在由于焊点数量繁多(成千上万)、点焊工序繁多引起的模拟时间漫长的问题，以及存在由于复杂工装引起的复杂接触模拟问题。这三大问题严重阻碍了复杂总成构件电阻点焊过程的模拟实施。国内外学者针对上述问题已分别提出各自的模拟方法，其中包括基于固有应变法在壳单元上实施的点焊模拟、将已完成焊点简化为机械连接实施的点焊模拟。这些方法对点焊过程的简化过多，虽然可以降低模拟时间、实现构件在焊点处的连接，但为此付出的精度代价过大。这意味着从电-热-结构全耦合的弹塑性瞬态模拟方法到已有的简化模拟方法，在模拟时间和模拟精度上的差距过于悬殊。亟需探索一种介于二者之间的模拟方法，既能有效缩短模拟时间又能保证可观的模拟精度。这一探索可从全耦合模拟和简化模拟的技术细节入手。全耦合的瞬态模拟先求解电导方程得到电流密度，根据电流密度求解焦耳热，基于焦耳热求解热导方程得到温度分布(电-热耦合)，根据温度分布和外加载荷求解弹塑性平衡方程得到位移分布(热-结构耦合)，最终基于位移结果计算应变、基于应变求解应力；点焊结束后根据温度是否曾经超过熔点来设定板间接触节点是否连接，从而实现构件在焊点处的连接；整个模拟过程考虑电极的瞬态移动和瞬态下压过程，考虑电极-工件、夹具-工件以及工件-工件的瞬态接触。简化方法中的固有应变，直接省略了求得位移的一系列过程，直接赋予固有应变以求解应力；同时，忽略了电极的移动和下压，以及简化了整个焊接过程中的接触；所得结果难以准确。而机械连接形式的简化方法，则直接忽略了点焊形成过程中的应力和变形，仅提供一个点焊完成后的连接状态，服务后续工序的模拟。综合三种方法的利弊，可以在最精准的全耦合模拟中重新选择一个阶段作为新的切入点，提炼优化的简化方法，做到兼顾模拟效率和精度。分析全耦合模拟的结果发现，焊点处的压痕是整个构件的主要位移之一，这一位移所对应的弹、塑性应变贡献了焊点周围的大部分应力，还有一部分应力由热应变引起。优化的简化方法可以将电极从模型中排除，直接赋予焊点及其附近的节点以与压痕深度对应的位移，保持工件-工件、工件-夹具的接触，再进行基于局部区域固定位移的静态结构分析，既可保留大部分的模拟精度，又省略了全耦合瞬态模拟时获得位移所必须进行的电-热和热-结构耦合计算，从而大幅提升计算效率。而焊点处的压痕，除由电极压力贡献之外，也有高温下材料软化所贡献的部分。因此在赋予与压痕深度对应的位移时，既要使变形节点的位移吻合电极形貌，又要体现出材料软化的贡献。可行的方式是：先对具有不同层数、板厚、材料、电极压力、电流密度等参数的焊点进行单焊点全耦合模拟，得到每类焊点的压痕深度并建立数据库，该压痕深度可同时体现电极压力和材料软化的贡献；然后在多焊点复杂构件中直接用压痕深度和电极头形貌函数计算焊点附近的节点位移矢量，电极头形貌函数的引入可以使得变形节点的位移吻合电极形貌。如此，优化的简化方法即可得到介于全耦合模拟和简化模拟的精度和效率。
技术实现思路
针对
技术介绍
中阐述的尚存问题，基于上述分析中提炼的优化简化方法，本专利技术提出了一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，综合考虑了全耦合模拟方法的高精度和简化模拟方法的高效率，能在较高精度和模拟效率下求解复杂构件电阻点焊的残余应力和变形。本专利技术所提出的快速模拟方法的具体流程如图1所示，包含如下步骤：步骤1：对复杂钣金构件的所有焊点进行分类，并赋予焊点分类编号；步骤2：对每类焊点建立试片级构件，采用温度相关的材料模型开展电-热-结构耦合模拟，并获取各个焊点在各自工艺参数下的压痕深度；步骤3：集合焊点分类信息、材料参数和全耦合模拟所得的压痕深度结果建立分类焊点的数据库；步骤4：分别建立网格模型、边界条件、定义接触信息和工况信息，从而得到复杂构件的有限元模型。步骤5：开展复杂构件点焊过程的静态结构分析，先在数据库中调取当前焊点的电极半径和压痕深度等信息，根据电极半径建立电极头的形貌函数，根据焊点位置和压痕深度计算边界条件中所选节点的位移矢量，将所得的位移矢量作为边界条件赋予每个节点后开展静态结构分析，最终得到整个构件的应力和变形结果。●其中，步骤1中焊点的分类依据具体包括板材的层数、每层板的厚度、每两层板之间的间隙、施焊电极的电极头半径、电极压力、点焊电压或电流、点焊四个阶段预压/通电/冷却/间隔的时间。●其中，步骤2中用到的材料模型包括随温度变化的密度、体电阻率、比热容、热导率、杨氏模量、泊松比、热膨胀系数及流变应力参数；采用的电-热-结构耦合求解的三大控制方程分别为：电导方程：σelec(T)V＝I热导方程：平衡方程：方程中的σelec(T)为电导率，V和I为节点电压电流，Cth(T)和λth(T)为为比热容矩阵和热导率矩阵，Q为内热，Qelec为焦耳热，Qiedef为非弹性变形导致的热量，Qfric为摩擦产生的热，T为节点温度，μ为节点位移矢量，M为质量矩阵，D为阻尼矩阵，K(T，μ，t)为刚度矩阵，F为外部施加的力矢，Fth为热应变导致的力。焦耳热Qelec的计算式如下：R(T)为总的电阻率，由上下板的体电阻、电极-工件之间的接触电阻和工件-工件之间的接触电阻组成。电阻率的倒数为电导率。工件-工件之间接触电阻的计算式如下：Rcont(T)为接触电阻率，σfs(T)为流变应力，ρ1(T)为上板的体电阻率，ρ2(T)为下板的体电阻率，σcn为法向应力，Acont为接触区域的面积，lcont为膜厚。全耦合模拟时，电-热问题的耦合通过焦耳热Qelec和随温度变化的电导率σelec(T)实现，而热-结构问题的耦合则通过非弹性变形导致的热量Qiedef、摩擦产生的热量Qf本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：对复杂钣金构件的所有焊点进行分类，并赋予焊点分类编号；/n步骤2：对每类焊点建立试片级构件，采用温度相关的材料模型开展电-热-结构耦合模拟，并获取各个焊点在各自工艺参数下的压痕深度；/n步骤3：集合焊点分类信息、材料参数和全耦合模拟所得的压痕深度结果建立分类焊点的数据库；/n步骤4：分别建立网格模型、边界条件、定义接触信息和工况信息，从而得到复杂构件的有限元模型。/n步骤5：开展复杂构件点焊过程的静态结构分析，先在数据库中调取当前焊点的电极半径和压痕深度等信息，根据电极半径建立电极头的形貌函数，根据焊点位置和压痕深度计算边界条件中所选节点的位移矢量，将所得的位移矢量作为边界条件赋予每个节点后开展静态结构分析，最终得到整个构件的应力和变形结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：对复杂钣金构件的所有焊点进行分类，并赋予焊点分类编号；
步骤2：对每类焊点建立试片级构件，采用温度相关的材料模型开展电-热-结构耦合模拟，并获取各个焊点在各自工艺参数下的压痕深度；
步骤3：集合焊点分类信息、材料参数和全耦合模拟所得的压痕深度结果建立分类焊点的数据库；
步骤4：分别建立网格模型、边界条件、定义接触信息和工况信息，从而得到复杂构件的有限元模型。
步骤5：开展复杂构件点焊过程的静态结构分析，先在数据库中调取当前焊点的电极半径和压痕深度等信息，根据电极半径建立电极头的形貌函数，根据焊点位置和压痕深度计算边界条件中所选节点的位移矢量，将所得的位移矢量作为边界条件赋予每个节点后开展静态结构分析，最终得到整个构件的应力和变形结果。


2.根据权利要求1所述的一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，其特征在于步骤1中对钣金所有焊点，按照板材的层数、每层板的厚度、每两层板之间的间隙、施焊电极的电极头半径、电极压力、点焊电压或电流、点焊四个阶段预压/通电/冷却/间隔的时间进行分类，可以有效精简整个机身中成千上万的焊点，得到互不重复的焊点信息。


3.根据权利要求1所述的一种复杂钣金构件电阻点焊残余应力和变形的快速模拟方法，其特征在于步骤2中，不对机身所有焊点进行电-热-结构全偶尔分析，仅对互不重复的分类焊点进行全耦合分析，可以有效缩短针对所有焊点的模拟时间；其特征还在于步骤2中，仅利用简单的试片级构件进行全耦合模拟得...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，刘湘波，刘仁培，郭凯，蔡佳思，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32