[发明专利]基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种汽车计算机辅助设计技术领域的方法，特别是一种基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法。

背景技术

拼焊板技术兴起于上世纪90年代，是将几块不同强度、不同厚度的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件对材料性能的不同要求。目前拼焊板技术已经在大量的中高档轿车上应用，如POLO，BUICK，MAZDA，CADILLAC等等。为了在设计的初始阶段获得汽车的耐撞性能以满足越来越严格的国家法规，汽车计算机辅助设计(CAE)技术被广泛运用于汽车耐撞性能的评价，它不仅降低试验成本而且能够减少设计周期。为了精确模拟拼焊板在汽车碰撞中的动力学行为进而得到精确可信的仿真结果，拼焊板焊缝模型的建模技术非常关键，因为它会影响到碰撞力在拼焊板零件中的传递和拼焊板整体的变形。

然而到目前为止，却没有科研人员或技术人员对汽车碰撞有限元仿真中的拼焊板焊缝的模拟方法进行研究。即使是现有的焊缝有限元模型，也都是针对拼焊板冲压成形仿真而建立的，这些焊缝模型基本上可以分成两大类，一类是忽略了焊缝材料属性和几何形状的焊缝有限元模型，包括节点和刚性连接模型；另一类则是考虑焊缝类型的焊缝有限元模型，包括梁单元模型、壳单元模型和实体单元模型。拼焊板单元模型在冲压成形仿真与汽车碰撞仿真中最大的区别在于：冲压成形仿真中，母板可以用任意小的网格来离散；而对于汽车碰撞仿真，考虑到解算效率问题，母板的最小网格尺寸一般为5mm，与此同时，焊缝宽度一般仅为1.5mm左右。上述模型在模拟汽车碰撞中的焊缝力学行为时，节点和刚性连接虽然计算效率高，却忽略了焊缝材料属性和几何形状；梁单元不能表达焊缝的形状；壳单元只适合于等厚度板；实体单元虽然精确，却要求两块母板都实体建模，建模过程复杂，计算效率低。而且如果采用壳单元或是实体单元，由于汽车碰撞有限元仿真一般都采用质量缩放手段，会造成质量增加过大而不精确；由于焊缝过窄会导致网格长宽比过高而造成仿真解算不稳定。因此，还没有合适的焊缝模型适用于汽车碰撞仿真中的拼焊板焊缝模拟。

经对现有技术的查新，没有发现对汽车碰撞仿真中的拼焊板焊缝建模方法的报道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于汽车碰撞仿真的拼焊板焊缝有限元建模方法，使其既考虑了焊缝的材料属性又考虑了焊缝的形状，能够准确模拟焊缝的在碰撞仿真中的变形行为，提高汽车碰撞仿真精度，且快速有效，便于技术人员掌握。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

第一步、基础板建模

a.基础板硬点布置：利用几何处理模块在两块基础板与焊缝相连边界处均匀布置硬点，这样能够使焊缝相连边界处的基础板网格节点一一对应。

所述的硬点，是指在几何线上布置的点，这些点在网格处理中将作为网格单元的节点。

b.基础板网格划分：使用网格划分模块对两块基础板进行网格划分。

c.基础板网格平移：保持其中一块基础板网格不动，平移另一块基础板网格，使拼焊板的中心面位置与实际相符合。

所述的拼焊板实际上是由两块或者两块以上的基础板组成，这里所指的基础板是针对某一焊缝所相连的板材。

所述的几何处理模块、网格划分模块均可以采用前处理软件等现有技术实现，比如市售的HYPERMESH或ANSA。

第二步、双层梁焊缝模型建立

a.空间节点布置：在每个硬点位置上下布置两个空间节点，通过空间节点的准确布置，能够精确模拟出焊缝的形状；

b.双层梁制作：沿着焊缝方向将两块基础板上下方的两排空间节点以Huges-liu减缩梁(一种基于退化了的8节点实体单元的梁单元形式)一一连接，形成两排空间梁单元结构；

c.将梁与基础板连接：用刚性连接单元(Nodal-Rigid-Body)将硬点处节点和所建立的双层梁节点约束在一起。

第三步、双层梁单元的属性赋值

a.梁单元材料属性赋值：拼焊板焊缝材料以各向同性及率无关的Ludwick-Hollomon材料模型(幂指数塑性材料模型)对所建双层梁单元进行赋值，使焊缝模型材料与实际焊缝材料相一致；

b.梁单元截面属性赋值：按照尺寸公式对所建双层梁单元截面属性进行参数赋值，使焊缝与实际情况具有相同的横截面面积，进而具有与实际情况相同的强度。