焊點數量對薄壁帽型截面管吸能特性的影響

楊意品，曹興舉

（新疆交通職業技術學院，新疆烏魯木齊831401）

焊點數量對薄壁帽型截面管吸能特性的影響

楊意品，曹興舉

（新疆交通職業技術學院，新疆烏魯木齊831401）

研究汽車車身吸能結構焊點的數量對碰撞安全的影響。在不改變吸能結構本身及生產工藝的前提下，通過焊點數量提高結構的吸能特性。針對上述問題，采用試驗和有限元方法研究單帽、雙帽管的軸向吸能特性，仿真結果與試驗結果較好吻合，驗證了有限元模型的準確性。通過有限元方法，研究不同數量的焊點對帽型截面管軸向和彎曲吸能特性的影響。結果表明，一定范圍內增加焊點數量能夠提高帽型截面管的軸向吸能特性，但對彎曲吸能特性的影響并不明顯。

焊點；帽型截面管；吸能特性；彎曲

0　前言

近年來，汽車的碰撞安全性已經成為汽車設計研發過程中的重要環節之一，各國相繼出臺相應的法規來保證在發生碰撞時汽車車身具有一定的耐撞性，從而保護車內乘員。2000年我國開始強制實施了CMVDR294《關于正面碰撞乘員保護的設計規則》，2003年發布了GB 11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》，2006年發布并實施了GB20071-2006《汽車側面碰撞的乘員保護》，這些法規都對汽車的耐撞性提出了嚴格要求。車身吸能結構的塑性變形能夠有效吸收碰撞動能，保證駕乘人員的安全。薄壁構件是很好的輕質結構，能夠有效吸收碰撞動能，且生產成本較低，廣泛應用于汽車被動安全中。

基于試驗和有限元方法，國內外對于薄壁構件的耐撞性研究取得了一系列成果。國外的Xiang和Wang等人[1]研究發現，薄壁管件軸向準靜態壓縮過程中，在焊點沒有失效的前提下，有限元模型中的焊點可以用節點剛性連接建模。國內的陳軍[2]針對幾款微型車100％正面碰撞中輪罩區域點焊失效進行了研究，通過對比仿真與試驗結果，點焊失效的條件下，用beam單元和solid單元模擬點焊精度較高，而rigid不能表現點焊的全部力學性能。宮寶貴[3]等人對薄壁管件的彎曲吸能特性進行了研究，結果發現添加泡沫鋁后，其抗彎特性有了顯著提高。這些研究僅對焊點是否失效的模擬方法進行了分析，而沒有考慮焊點數量對薄壁管件軸向和彎曲吸能特性的影響。汽車在碰撞時，前縱梁吸能結構既會發生軸向壓潰，也會產生彎曲變形。

針對上述問題，本研究采用試驗與有限元相結合的方法，首先對帽型截面管進行軸向準靜態壓縮試驗和仿真，仿真結果與試驗結果相吻合，證明有限元模型的準確性。采用有限元方法研究了不同數量的焊點對帽型截面管的軸向和彎曲吸能特性的影響。

1　結構變形理論及吸能特性指標

汽車發生碰撞時，防撞結構產生褶皺變形，吸收碰撞時的動能。碰撞時撞擊力經過防撞梁的分解作用后的傳遞路線如圖1所示。

圖1　撞擊力傳遞路線

與沖擊工況相比，準靜態壓縮無需考慮材料應變率的影響，但變形的過程基本一致。準靜態壓縮有限元控制方程為

結構吸能能力通常用以下指標來衡量：平均壓潰力Pm和比吸能SEA。

式中δf為壓潰距離；P（δ）為壓潰距離δ對應的壓潰力。根據仿真和試驗所得到的壓潰力P與壓潰距離δ的關系曲線，可以得到平均壓潰力Pm與壓潰距離δ的關系曲線。比吸能是單位質量或體積的物體所吸收的能量，其表達式為

式中W為結構吸收的能量；m為結構的總質量；l為結構初始長度；l1為參與吸能部分結構長度。

W也可以通過壓潰力與壓潰距離關系曲線積分得到：

2　帽型截面管有限元模型驗證

2.1帽型截面管準備

帽型截面管如圖2所示，其截面中性面形狀如圖3所示，截面邊長a=50 mm，b=51.5 mm，壁厚t= 1.5 mm，法蘭邊寬度f=20 mm，過渡圓角r=3 mm，試件長度l=200 mm。

圖2　帽型截面管

圖3　帽型截面管橫截面結構

焊點布局如圖4所示，焊點均勻分布在法蘭邊中心線上，焊點大小為7 mm，單邊數量n=8，間距Δ=27 mm，邊緣焊點距離最外端5.5 mm。

圖4　帽型截面管焊點布局

試件采用低碳鋼冷軋鋼板，密度ρ=7 860 kg/m3，彈性模量E=212 GPa，泊松比μ=0.288，屈服應力σ=290 MPa。單帽、雙帽管質量分別為0.568 4 kg和0.560 8 kg。

2.2帽型截面管有限元模型建立

[4]采用四邊形殼單元建立帽型截面管有限元模型，單元大小3.5 mm，焊點采用剛性連接。按文獻[5]設置參數，帽型管一端固定，另一端勻速加載，薄壁截面管軸向準靜態壓縮有限元模型如圖5所示。

圖5　軸向準靜態壓縮有限元模型

2.3普通薄壁管準靜態軸向壓縮結果

利用LS-DYNA軟件對普通薄壁管準靜態軸向壓縮進行動態仿真，壓縮行程120 mm，摩擦系數0.3。采用微機控制電液伺服萬能試驗機進行準靜態壓縮試驗，試驗機加載速度5 mm/min。仿真試驗結果對比如圖6所示。

圖6　帽型截面管準靜態軸向壓縮結果

由圖6可知，仿真與實驗過程中，普通薄壁管準靜態軸向壓縮變形折疊次序相同，且變形結果一致；壓縮過程中，普通單帽和雙帽薄壁管均未出現失穩狀況；試驗過程中，焊點未出現開焊情況，有限元模型中的焊點能夠用節點剛性連接建模。

普通薄壁管的壓潰力P與壓潰距離δ的仿真試驗結果對比如圖7所示。

圖7　壓潰力P與壓潰距離δ關系曲線

普通單帽、雙帽準靜態軸向壓縮仿真值與試驗值的平均壓潰力Pm、比吸能SEA和結構吸收的能量W比較如表1～表3所示。

表1　平均壓潰力Pm的比較

表2　比吸能SEA的比較

由圖6、圖7和表1～表3可知，普通單帽和雙帽薄壁管件準靜態軸向壓縮的仿真結果與試驗結果吻合較好，證明所采用的有限元模型可靠。由于試件本身可能存在局部缺陷，材料分布也可能存在一定不均勻性，以及有限元模型與實際試件有一定的差異，故仿真結果與試驗結果有一定誤差，但誤差在可接受范圍之內。

表3　結構吸收能量的比較

3　焊點數量對帽型截面管吸能特性的影響

汽車生產制造過程中，焊接工藝對汽車的性能有一定影響。焊點的數量直接關系到汽車的安全性。為了研究焊點數量對帽型截面管的吸能特性，設計了不同焊點數量的帽型截面管，并采用有限元方法來研究其吸能特性。

3.1焊點數量對帽型截面管軸向吸能特性的影響

設計的帽型截面管單邊焊點數量n及焊點間距Δ如表4所示。

表4　單邊焊點數量n及焊點間距Δ

對不同焊點數量的帽型截面管進行軸向準靜態壓縮仿真，得到壓潰力和壓潰距離關系曲線，然后求出平均壓潰力。平均壓潰力與焊點數量關系曲線如圖8所示。

圖8　平均壓潰力與焊點數量關系曲線

由圖8可知，平均壓潰力隨焊點數量的變化有一定波動。當焊點數量達到10時，單帽管的平均壓潰力提高了4.92％，雙帽管的平均壓潰力提高了2.61％，帽型管軸向吸能特性有所提高。汽車車身上采用大量的帽型管作為碰撞吸能結構，在汽車生產過程中，增加焊點數量并不會改變原有的生產工藝，卻能夠以較低的成本提高汽車的碰撞安全性。

3.2焊點數量對帽型截面管彎曲吸能特性的影響

帽型截面管進行橫向準靜態壓縮如圖9所示。剛體2和3固定不動，距離帽型管兩端50 mm；剛體1位于管件的中間，沿著箭頭方向移動，壓縮行程40 mm。模型參數設置參考前面所述的帽型截面管件軸向壓縮過程。

圖9　橫向準靜態壓縮有限元模型

對3.1中所設計的不同焊點數量的帽型截面管進行橫向準靜態壓縮仿真，帽型截面管橫向壓縮結果如圖10所示。根據壓潰力和壓潰距離關系曲線，可以求出平均壓潰力。平均壓潰力與焊點數量關系曲線如圖11所示。

圖10　帽型截面管橫向壓縮結果

圖11　平均壓潰力與焊點數量關系曲線

由圖10可知，在剛體1的作用下，單帽管產生明顯彎曲變形，而雙帽管更易被壓癟。由圖11可知，平均壓潰力并未隨著焊點數量的變化而變化，說明焊點數量對帽型管彎曲吸能特性的影響并不明顯。

4　結論

對薄壁帽型截面管件進行了軸向準靜態壓縮仿真及試驗，并研究了不同焊點數對帽型截面管軸向和彎曲吸能特性的影響。

（1）不論是單帽管還是雙帽管，在一定范圍內增加焊點的數量，都可以提高薄壁管件的軸向吸能特性。

（2）彎曲工況下，相比單帽管，雙帽管更易被壓癟，而不是彎曲變形。

（3）在一定范圍內，焊點數量對單帽管和雙帽管彎曲吸能特性的影響不明顯。

[1]Xiang Y J，Wang Q，Fan Z J，et al.Optimal crashworthiness design of a spot-welded thin-walled hat section[J].Finite Element in Analysis and Design，2006（42）：846-855.

[2]陳軍.車身點焊特性及模擬方法研究[D].長沙：湖南大學，2010.

[3]宮保貴，王青春，王國權.泡沫鋁部分填充薄壁梁彎曲吸能特性研究[J].計算機仿真，2009，26（12）：230-234.

[4]江志勇.基于轎車薄壁構件碰撞的變形及吸能特性的仿真與分析[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[5]王青春，范子杰.利用Ls-Dyna計算結構準靜態壓潰的改進方法[J].力學與實踐，2003，25（3）：20-23.

Impact of the amount of spot welds on energy-absorbing of thin-walled tubes

YANG Yipin，CAO Xingju
（Technical College of Communications，Xinjiang Vocational，Urumqi 831401，China）

The problem of improving the safety of automobile crash was researched.Without changing the energy-absorbing structure itself and the production process，improved the structure of the energy-absorption characteristics by spot welds.Focusing on the problem，test and finite element method was used to study the axial energy-absorption performance of the thin-walled tubes，and the simulation results were consistent well with the test data.Then the axial and bending energy-absorption performance of thin-walled tubes with different number of spot weld was analyzed.The results showed that a certain range of spot welds increasing could improve axial energy-absorption of thin-walled tubes，but the impact on the bending energy-absorption was not obvious.

spot welds；thin-walled tubes；energy-absorbing；bending

TG453

A

1001－2303（2016）05－0041-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.09

2015-12-10；

2016-02-20

楊意品（1973—），女，河南人，副教授，碩士，主要從事汽車碰撞安全研究與汽車專業教學工作。