第 19 卷 第 2 期 2000 年 3 月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SC IEN CE AND T ECHNOLO GY
文章编号: 100328728 (2000) 0220046203
V o l. 19 N o. 2 M a r 2000 Ξ
汽车碰撞仿真中的连接失效模拟
薛 量, 姜正旭, 林忠钦
这两种情况下薄壁梁吸能情况也截然不同。 梁板和腹 板的能量吸收比例在焊点未开裂的情况下和焊点开裂的情 况下也有很大不同。 表 1 列出这两种情况的差别。
表 1 薄壁梁溃缩前 200mm 变形能研究
焊点未开裂
焊点开裂
压缩 200mm 所需时间 (m s)
19.067. 6
汽车碰撞的实验研究表明, 这些连接方式的失效行为 对整车的碰撞性能起着重要的作用。 焊接点的失效与否影 响着车身各部件的动力学关系。 在汽车碰撞的有限元仿真 建模中, 连接方式的模拟在建立整车碰撞模型中是十分重 要的一环。
对于汽车碰撞的数值分析来说, 一个简单有效的连接 模型极为重要。一个三维的焊点、铆钉或螺栓对于整车研究 来说太细致了, 而且研究单个焊点、铆接或螺栓的失效模式 也不在抗撞性研究的范围之内。然而在数值分析中, 这些连 接方式起的约束作用则必须引入到约束方程中, 在整车模 型中也必须建立这样的约束条件来连接不同的结构件以传 递约束力。 随着约束力的逐渐增大, 连接方式会最终失效。 连接方式的承载特性对于结构的碰撞特性和失效模式影响 极大。
从图 4b 的结果可以看出, 由于焊点强度过低而导致了 一种和图 4a 完全不同的溃缩模式。 这时, 焊点在碰撞初期 就开裂, 计算结果显示所以焊点全部开裂。梁板的变形结果 与图 4a 类似, 腹板由于焊点开裂, 失去约束作用而未出现
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波纹管模态, 仅仅是向腹面卷曲。仿真结果还表明焊点开裂 是对应节点之间的拉剪共同作用的结果。
[ 参考文献 ]
[ 1 ] W ierzb ick T , et al. A Tw o Fo lding E lem en ts M odel of P rog ressive C ru sh ing of T ubes[J ]. In t. J. So lid s Structu res, 1992, 29 (24) : 3269～ 3288
能量。 计算结果表明在位移 达 到 200mm 以 内 的 平 均 轴 向压力焊点未开裂的为 51.
图 7 两种焊点强度下的 位移2轴向压力曲线
90sKN , 而焊点开裂的只有 45. 78KN , 比未开裂的情况要 低 12%。
3 结束语 本文描述了汽车碰撞仿真中的连接方式模拟, 并分析
了各种连接方式的力学模型和失效条件。 本文通过薄壁梁 碰撞性能的分析给出了焊点失效对碰撞性能的影响的数值 分析结果, 结果表明焊点的强度对薄壁梁结构的折曲模式 有很大影响, 其吸能性能随焊点的失效而降低。
本文描述了连接方式的模拟方法, 并讨论了各种不同 处理方式的机理, 着重分析了碰撞仿真中的焊点处理。通过 一个典型的薄壁梁结构的碰撞分析中点焊处理的实例, 讨 论了连接失效对碰撞性能的影响。
1 连接方式的模拟 从力学表现来看, 点焊和铆接有着不同的特点。焊点连
接的两个不同部件, 可以传递拉 压力和剪切力, 随着载荷 的增大, 焊点和 或部件在拉剪两个方向发生塑性变形, 当 塑性变形超出了失效应变, 焊点就断裂失效。 一般来说, 铆 钉连接是一种松连接, 在小变形范围内无法传递力和力矩。 在大变形时, 对应部件间的力主要通过铆钉本身的材质来 传递。
定义约束的第三种方法是在不同节点之间定义一种称 为节点刚体的约束。节点刚体可由两个或多个节点组成。节 点刚体约束方法用刚体运动方程来描述点的运动。 对应节 点的位置和方向在运动中并不改变, 因此, 节点的转动能被 耦合进来。
连接方式的失效可以是脆性的或塑性的, 可单独建立 脆性或塑性的失效条件。 满足任一失效条件, 则判定失效。
图 5 某开裂节点对应的两个 图 6 开裂焊点对应节点直线
节点的厚向位移2时间
距离2时间曲线
上述的两种不同的折曲
模式所产生的薄壁的碰撞吸
能特性也不同。图 7 为两种折
曲模式的轴向压力和位移的
变化曲线, 可以看出焊点未
开裂的结果要比焊点开裂的
结果轴向承受了更多的压
力, 也就 是 说 吸 收 了 更 多 的
该方法定义滑移界面的一个部件上的一些节点固连到 另一个结构件的表面。该节点的平移和 或转动自由度和对 于表面接触点的运动相耦合。 通过该种固连可传递 f n 和 f s, 但不可以传递力矩。在失效后, 只需检查接触条件, 两部 件可独立运动, 该方法最大的优点在于相邻的两个部件可
各自划分网格。 由于是一个部件上的节点和另一个部件上 的单元上的接触点之间的固连, 所有定义连接方式的两个 相邻节点的几何位置不必对应。 1. 3 节点刚体约束
(上海交通大学机械工程学院, 上海 20030)
薛 量
摘 要: 描述了汽车碰撞仿真研究中连接方式的模拟方法, 讨论了各种连接方式的不同 约束条件和失效准则。本文通过一个典型的闭口帽型截面的薄壁梁在轴向碰撞载荷 下的屈曲模态给出了不同强度的连接方式所产生的不同溃缩模式, 进而分析了连接 失效对载荷2位移曲线和碰撞吸能特性的影响, 为利用有限元仿真进行碰撞结构设 计提供了依据。
通过基于力的失效准则或基于连
接节点的相邻单元的塑性应变极 限可以定义梁单元的失效。 这两 种方法分别称为脆性失效准则
图 2 焊点的脆性 失效条件
(图 2) 和塑性失效准则。 梁单元可以描述点焊传递轴向力 f n 和剪切力 f s 和扭矩。
基于力的失效准则为
〔m ax (f n, 0) 〕n + 〔 f s 〕m Ε 1
焊点强度达到要求和仅达到 40% 要求的薄壁梁碰撞 的网格变形时序结果如图 4a 和图 4b 所示。 焊点强度达到 要求的一组变形结果显示梁板和腹板首先同时在碰撞端发 生局部屈曲, 进而向另一端扩展, 呈现波纹管式的溃缩模 式。计算结果显示在碰撞过程中, 没有焊点开裂。在焊点的 凸缘处, 梁板和腹板同向屈曲。
8217. 7
腹板内能 (J )
1940. 2
577. 5
梁 腹板内能比
4. 16
14. 23
由此可见, 焊点开裂导致了梁板吸收能量的大辐下降。
图 4 薄壁梁溃缩模式 图 5 的曲线表示某个焊点对应的两个节点在碰撞过程 中的厚向位移的变化。 可以看出在 14m s 后两节点之间的 相对运动的速度突然加大。 计算结果显示在 14. 253m s 时 刻, 节点 231 和节点 2610 之间的焊点开裂。开裂瞬时, 焊点 轴向拉力为 1. 785KN , 切向剪力为 1. 948KN。 对应两节点 之间的直线距离 (如图 6 所示) 说明了焊点开裂的情况。
2 点焊连接薄壁梁碰撞性能的模拟 本文以一个点焊连接的闭口帽型截面的薄壁梁的碰撞
特性分析来说明焊点模拟及其失效对薄壁梁的碰撞性能的 影响。这种薄壁梁是典型的车身结构, 车身的纵梁结构就是 这一类薄壁梁。在汽车发生正面或追尾碰撞时, 纵梁结构发 生溃缩和弯曲变形, 吸收了大多数的碰撞能量。
在整个梁的轴向每侧布置 14 个焊点, 在有限元模型中 在焊点位置的对应节点建立无质量梁模型来模拟焊点约 束。点焊从工艺上来看属于压力焊中的电阻焊, 其工艺特点 决定了焊接接头的强度达不到母材的性能指标。 国外有些 文献根据焊点熔核的直径来估算焊点的抗拉抗剪强度极 限, 这种方法估算出来的强度极限比焊点的实际情况要高。 实际点焊接头的拉伸强度及抗剪强度要低, 对于钢来说, 拉 伸强度约为抗剪强度的 60～ 75%。这是因为在点焊接头在 受到拉伸时, 熔核边缘将产生极为严重的应力集中和拉力 垂直作用于柱状晶相碰的薄弱界面上。
Ξ 收稿日期: 1999204226 作者简介: 薛 量 (1973- ) , 男 (汉族) , 上海交通大学机械工程学院博士研究生
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薛 量等: 汽车碰撞仿真中的连接失效模拟
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体方式。
(1) 无失效约束模型: 耦合至少两个节点的一个或多 个平移自由度, 转动自由度不能耦合, 不带失效条件。 该方 法可用于描述各种连接方式。
[ 2 ] O hkubo Y, et al. M ean C ru sh ing Strength of C lo sed2H at Section M em bers[R ]. SA E T ran saction, p ap er 740040
关 键 词: 碰撞; 仿真; 连接失效; 吸能特性 中图分类号: T P 391. 9 文献标识码: A
引 言 现代轿车的承载式车身普遍采用点焊接技术来连接车
身的覆盖件, 同时辅以缝焊, 再加上铆钉和螺栓等连接件连 接车身的各个零部件。 例如一辆上海大众汽车有限公司生 产的桑塔纳轿车不计外协件有 47, 430 个焊接点。 航空、航 天器也采用这些连接方式来连接。 这些连接方式是现代机 械制造技术中的一个重要环节。
本文所研究薄壁梁的梁板和 3 腹板的 板 厚 均 为 1. 5mm , 根据 HB 5282284 结构钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质 量检验标准, 该厚度焊点的极限剪切承载能力 S s= 5. 6KN。 极限抗拉承载能力以 70% 的极限剪切承载能力计, S n = 3. 92KN。
为了研究焊点强度对薄壁梁结构的碰撞特性的影响, 本文针对焊点强度达到 HB 5282284 要求的薄壁梁和焊点 强度没有达到要求 (只有要求的 40% ) 的薄壁梁进行碰撞 性能分析。焊点模型采用无质量梁单元。考虑到薄壁梁的折 线处较大, 吸收的碰撞能量也较多, 因此折线处网格划分较 密, 中部则较疏。
sn
ss
(2)
式中 sn 和 ss 分别为焊点所能承受的极限轴向拉力和极限