点焊连接失效数值模拟系统技术方案

一种车身制造工程领域的点焊连接失效数值模拟系统，本发明专利技术中，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种汽车工程
的计算机辅助系统，具体是一种点焊连接失效数值模拟系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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系统，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。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括：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σr、轴向剪应力τz、周向剪应力τθ，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：(σr(ϵeffp)·σrF(ϵeffp)·)ξ+(τz(ϵeffp)·τzF(ϵeffp)·)ψ+(τθ(ϵeffp)·τθF(ϵeffp)·)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σr、τz、τθ均表示有效塑性应变率的函数，σrF、τzF、τθF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σr，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τz，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τθ，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τz极值、圆周分布周向剪应力τθ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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种点焊连接失效数值模拟系统，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。...

【技术特征摘要】
1、一种点焊连接失效数值模拟系统，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系统，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σr、轴向剪应力τz、周向剪应力τθ，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：(σr(ϵeffp)·σrF(ϵeffp)·)ξ+(τz(&e...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱平，牛建辉，郭永进，余海东，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]