某SUV车型焊点疲劳分析与优化

    0 引言

    在汽车产品研发过程中，需要做大量的零部件台架试验和整车耐久试验。试验费用高、周期长，但是问题大多出现在产品设计完成之后，对设计变更带来一定难度。通过有限元疲劳分析，可以在产品设计初期对整车的耐久性进行预测，找到结构的薄弱点，提出合理的改进方案，可以大幅度减少或部分取代疲劳试验。随着计算机软、硬件水平的逐步提高，将关键零部件的设计水平从寿命定性上升到寿命定量已经逐步成为可能。

    1 方法和模型

    汽车在动态载荷作用下，结构件受到交变应力应变作用，产生疲劳。无论使用SN法还是EN法，都要计算结构的各个部位受到的应力或应变随时间的变化历程。采用有限元法计算通常有两种方法，准静态法和瞬态法，瞬态法又分为直接瞬态法和模态瞬态法。准静态法简单快捷，在汽车领域得到广泛应用。但对于动态响应问题，该方法误差较大，比如当结构的固有频率与加载频率接近时，直接瞬态法对硬件的要求较高，产生的结果文件非常大，往往信号比较长，而模态法对于类似车身疲劳分析等大模型问题有更好的方法解决，用一系列模态应力和模态坐标组合叠加（图1)来得到应力的变化，本文使用nastran的模态瞬态求解器进行计算，如图2所示。

    点焊是车身结构中大量钣金件之间的主要连接方式，在汽车工业被广泛采用，一个典型的轿车车身包含有4000多个焊点。由于点焊具有工艺复杂、焊装装备昂贵以及疲劳试验周期长等特点，在点焊结构设计的初期，可以利用疲劳分析理论和有限元方法来预测焊点的疲劳寿命，了解各焊点疲劳寿命的分布情况，及时对点焊结构进行合理的调整和优化，从而提高产品的疲劳性能和降低生产成本，具有工程实际意义。目前，国内外许多学者对焊点疲劳理论与疲劳寿命估算方法的研究做了大量的探索，并取得了较丰硕的科研成果。疲劳寿命的估算方法主要有名义应力法、局部应力应变法和裂纹扩展寿命法等。描述了如何计算点焊周围的结构应力，并根据最大应力、最小应力和载荷谱对焊点的疲劳寿命进行了预估。1988年，RajaiD和SheppardSD等提出当焊点承受不同形式的载荷时，它的疲劳耐久性能可以通过分析板内焊点附件边缘的结构应力得到更好的理解，从这个方面进行计算，结果会比较精确。Rupp等人则描述了如何计算这些结构应力，并基于最大、最小应力和一个载荷谱对焊点进行疲劳寿命计算。

    现在常用的焊点分析是利用ACM单元（图3)作为连接单元，输出节点力，再等效为梁单元节点上的力和弯矩，利用力和弯矩计算出焊核周围一圈材料的结构应力，再针对结构应力计算焊点的疲劳，如图4所示。这一方法简单有效，也得到广泛的应用。