汽车点焊模型有限元分析的发展及其应用

在汽车工业中，点焊是车身金属薄板结构主要的连接方式，分布于车身各个部位。点焊结构具有结构紧凑、质量轻、强度高和耐腐蚀等特性。由于车身结构中点焊数多达上千个，因此点焊对车身整体结构刚度的影响很大，建立准确的点焊有限元模型对于充分模拟车身结构刚度至关重要。对此，介绍了在有限元分析中点焊模型的发展和点焊失效形式。

点焊区域由于存在几何不连续、残余应力、材料特性不一致和焊接过程产生的缺陷等因素，因此在有限元中对其建模非常困难。目前，有两种点焊模型建立方法：一种是基于应力的方法；另一种基于应变的方法。前者采用独立梁或独立六面体实体单元模拟点焊，通过力和力矩准则建立点焊区域的应力场；后者采用与邻近壳单元相连的六面体实体单元模拟，主要用来了解真实点焊刚度特性以及点焊对车身其余部分刚度的影响。基于应变方法建模的优点是，所建立的点焊模型不仅适用于基材的破坏分析，而且适用于对点焊热影响区的分析；而基于应力建模的方法无法对热影响区的焊接缩孔进行预测。对采用点焊连接的车身进行结构强度分析或模拟时，需要先确定点焊破坏形式。点焊破坏形式一般包括基于塑性应变的塑性失效和基于焊接单元力的脆性失效。焊点本身的失效多为脆性失效，即焊点断开，因而对汽车点焊的有限元分析采用脆性失效准则。

采用有限元软件LS-DYNA3D，按照基于应变的点焊模型和脆性失效准则对车身焊点的抗拉强度和剪切强度进行分析。结果显示，有限元分析结果与真实结果接近，但还存在一定的差异。这种差异的产生一方面与有限元分析时所划分网格的尺寸和类型有关，另一方面与车身的载荷加载情况有关。对于前一种原因，在权衡模拟时间后，尽可能缩小网格尺寸，得到更精确的结果；对于后一种原因，将通过引入正则化因子，消除这种原因产生的差异。

Hwawon Lee et al. SAE 2015-01-1316.

编译：李臣