基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建模方法

摘要

本发明揭示了一种基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，包括下述的步骤：焊接螺母建模步骤，通过布点和投射，建立焊接螺母和母材的实体单元网格；焊接螺母与母材连接面的建模步骤，对焊线以及焊接螺母和母材之间的接触建模；螺栓建模步骤，对与焊接螺母配合的螺栓建模；焊接螺母与螺栓装配的建模步骤，对螺栓与焊接螺母的连接的建模并设置螺栓预紧力；有限元计算步骤，将所建立的模型移入疲劳有限元计算模型中，通过有限元程序的仿真，得到有限元焊接螺母的受力模式。本发明既考虑了焊接处的连接结构，又考虑了螺母对板材的接触效应。能够准确模拟焊接螺母在疲劳仿真中的变形行为，进而得到准确的板材应力分布。

权利要求

1.一种基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，包括：焊接螺母建模步骤，通过布点和投射，建立焊接螺母和母材的实体单元网格，该焊接螺母建模步骤包括：布点步骤，利用几何处理模块在焊接螺母的搭接面均匀布点，按焊缝的实际长度和位置，用硬点布置焊接区域，然后将所述硬点投射到母材表面上，使得焊接螺母和母材表面所生成节点的一一对应；

焊接螺母网格生成步骤，利用壳单元划分出焊接螺母的外表面，焊接螺母为封闭的壳，将该封闭的壳定义为体，然后用投射的方法生成六面体实体单元网格；

母材网格生成步骤，从母材的中面抽出，用偏移的方法，生成六面体实体单元网格；

材料参数设置步骤，给焊接螺母和母材赋予材料参数；

焊接螺母与母材连接面的建模步骤，对焊线以及焊接螺母和母材之间的接触建模；

螺栓建模步骤，对与焊接螺母配合的螺栓建模；

焊接螺母与螺栓装配的建模步骤，对螺栓与焊接螺母的连接的建模并设置螺栓预紧力；

有限元计算步骤，将所建立的模型移入疲劳有限元计算模型中，通过有限元程序的仿真，得到有限元焊接螺母的受力模式。

2.如权利要求1所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述焊接螺母生成步骤中焊接螺母在基础的范围内是四边形单元；

所述母材网格生成步骤中母材在基础的范围内是四边形单元。

3.如权利要求1所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述材料参数设置步骤中设置的参数包括：密度，弹性模量，泊松比。

4.如权利要求1所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述焊接螺母与母材连接面的建模步骤包括：焊线建模步骤，将焊线所在区域内，焊接螺母和母材的搭接面内的节点一一对应地粘结起来，生成共节点单元；

接触建模步骤，基于有限元分析，将焊接螺母与母材的搭接面上除焊缝的区域作为接触区域，对接触建模。

5.如权利要求4所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述接触建模步骤中，母材上的接触区域作为 从面，焊接螺母上的接触区域作为主面，接触方式为面-面接触，具有预设的摩擦系数，接触类型为运动型接触。

6.如权利要求1所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述螺栓建模步骤中螺栓由一维梁单元建模，按螺栓的型号设置界面和材料的参数。

7.如权利要求6所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述焊接螺母与螺栓装配的建模步骤包括：螺栓与焊接螺母的连接的建模，焊接螺母内螺纹的区域的所有节点用刚性单元抓取，生成第一刚性单元，将第一刚性单元的质心点连接所述一维梁单元的一端，再用刚性单元将母材表面上被螺栓的螺帽压紧的范围内的节点抓取，生成第二刚性单元，将第二刚性单元的质心连接所述一维梁单元的另一端；

设置螺栓预紧力，利用有限元分析，按照螺栓等级在所述一维梁单元上设置预紧力。

8.如权利要求1所述的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，其特征在于，所述有限元计算步骤中将刚性连接单元作为仿真对比。

说明书

基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建模方法

技术领域

[0001] 本发明涉及汽车制造领域，更具体的说，涉及汽车制造过程中的仿真测试方法。

背景技术

[0002] 焊接螺母是一种在螺母外边缘适合焊接的螺母，一般是可焊接的材料制成的而且比较厚，适合焊接。焊接时相当于把两个分离件变成一个整体，用高温将金属熔化后混合到一起再冷却，中间会加入合金。焊接螺母的内部在分子力的作用下，强度一般比螺母大。焊接螺母的优点是强度大，使用范围广，厚薄均可以，但是由于高温会导致被连接件的变形，且不可拆卸，而且一些活泼金属不适用此法焊接，比如铝，镁等，需要保护气火氩弧焊，要求加工工艺和精度高。

[0003] 有限元在数学中是一种为求解偏微分方程问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域就成为基本单元，这种基本单元就称为有限性元。有限元法适合计算机编程，随着计算机硬件日新月异的发展，有限元法可以尽早对零部件和整车结构性能进行评级，快速发现设计的薄弱环节，提出优化改进建议，减少实验样车数量和试验次数，以缩短开发时间和降低开发费用，提高产品的成熟度。

[0004] 到目前为止，并没有工程技术人员对有限元仿真中的焊接螺母的模拟方法进行研究。即使是现有的焊接螺母有限元模型，都是针对螺栓和螺母的力学性能而建立而忽略了螺母或螺栓对板材本身的接触效果，这些焊接螺母的建模方式大致分成两类，一类是忽略了螺栓和螺母的焊接关系，用刚性单元直接连接板材。另一类是将螺栓实体建模，但忽略了螺母的的焊接形式及与板材之间的接触关系。对于汽车疲劳仿真，往往需要对局部应力较大的区域进行分析，而传统的建模方式由于忽略了连接处的实际受力机理，通常只能对螺栓连接区外的应力做较准确的分析，而对连接本身的应力分析则会很不准确，另外大量的实验证明，焊接螺母的连接区域恰巧是开裂发生的常见处，所以现有技术中针对焊接螺母的有限元建模方式具有比较显著的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明旨在提出一种基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，包括下述的步骤：

[0006] 焊接螺母建模步骤，通过布点和投射，建立焊接螺母和母材的实体单元网格；

[0007] 焊接螺母与母材连接面的建模步骤，对焊线以及焊接螺母和母材之间的接触建模；

[0008] 螺栓建模步骤，对与焊接螺母配合的螺栓建模；

[0009] 焊接螺母与螺栓装配的建模步骤，对螺栓与焊接螺母的连接的建模并设置螺栓预紧力；

[0010] 有限元计算步骤，将所建立的模型移入疲劳有限元计算模型中，通过有限元程序的仿真，得到有限元焊接螺母的受力模式。

[0011] 在一个实施例中，焊接螺母建模步骤包括：

[0012] 布点步骤，利用几何处理模块在焊接螺母的搭接面均匀布点，按焊缝的实际长度和位置，用硬点布置焊接区域，然后将所述硬点投射到母材表面上，使得焊接螺母和母材表面所生成节点的一一对应；

[0013] 焊接螺母网格生成步骤，利用壳单元划分出焊接螺母的外表面，焊接螺母为封闭的壳，将该封闭的壳定义为体，然后用投射的方法生成六面体实体单元网格；

[0014] 母材网格生成步骤，从母材的中面抽出，用偏移的方法，生成六面体实体单元网格；

[0015] 材料参数设置步骤，给焊接螺母和母材赋予材料参数。

[0016] 在一个实施例中，焊接螺母生成步骤中焊接螺母在基础的范围内是四边形单元。母材网格生成步骤中母材在基础的范围内是四边形单元。

[0017] 在一个实施例中，材料参数设置步骤中设置的参数包括：密度，弹性模量，泊松比。

[0018] 在一个实施例中，焊接螺母与母材连接面的建模步骤包括：

[0019] 焊线建模步骤，将焊线所在区域内，焊接螺母和母材的搭接面内的节点一一对应地粘结起来，生成共节点单元；

[0020] 接触建模步骤，基于有限元分析，将焊接螺母与母材的搭接面上除焊缝的区域作为接触区域，对接触建模。

[0021] 在一个实施例中，接触建模步骤中，母材上的接触区域做为从面，焊接螺母上的接触区域作为主面，接触方式为面-面接触，具有预设的摩擦系数，接触类型为运动型接触。

[0022] 在一个实施例中，螺栓建模步骤中螺栓由一维梁单元建模，按螺栓的型号设置界面和材料的参数。

[0023] 在一个实施例中，焊接螺母与螺栓装配的建模步骤包括：

[0024] 螺栓与焊接螺母的连接的建模，焊接螺母内螺纹的区域的所有节点用刚性单元抓取，生成第一刚性单元，将第一刚性单元的质心点连接所述一维梁单元的一端，再用刚性单元将母材表面上被螺栓的螺帽压紧的范围内的节点抓取，生成第二刚性单元，将第二刚性单元的质心连接所述一维梁单元的另一端；

[0025] 设置螺栓预紧力，利用有限元分析，按照螺栓等级在所述一维梁单元上设置预紧力。

[0026] 在一个实施例中，有限元计算步骤中将刚性连接单元作为仿真对比。

[0027] 本发明的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法针对现有技术的不足，既考虑了焊接处的连接结构，又考虑了螺母对板材的接触效应。能够准确模拟焊接螺母在疲劳仿真中的变形行为，进而得到准确的板材应力分布，该方法快速有效，便于工程技术人员掌握。

附图说明

[0028] 本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

[0029] 图1揭示了根据本发明的一实施例的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法的流程图。

[0030] 图2揭示了焊接螺母的结构示意图。

[0031] 图3揭示了焊接螺母、螺栓和母材的连接结构示意图。

[0032] 图4揭示了焊接螺母“共节点+接触”建模的示意图。

[0033] 图5揭示了焊接螺母、螺栓和母材的连接建模示意图。

具体实施方式

[0034] 参考图1所示，图1揭示了根据本发明的一实施例的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法的流程图。下面结合一个具体实例来介绍本发明的焊接螺母有限元建摸方法。

[0035] 该实例模拟某开发车型带焊接螺母的尾管支架在疲劳试验中的开裂情况。焊接螺母直径为18mm，螺栓为M8，6.8级，其边缘处有三条等分的焊线，如图2所示，图2揭示了该实例的焊接螺母的结构示意图。排气管及消声器的重量为13.5公斤，尾管支架的厚度是1.5mm，材料是H260，屈服极限为272MPa，该实例中焊接螺母、螺栓和母材的连接结构如图3所示，图3揭示了焊接螺母、螺栓和母材的连接结构示意图。将托起消声器的尾管支架及相邻的部分白车身作为计算模型，用消声器的重量的4倍540N作为载荷。边界条件为零件的截取处，约束六个自由度。分析软件为Abaqus，第一步加载螺栓预紧力，第二步加载消声器重量的4倍作为外载荷。下面详细叙述焊接螺母有限元建摸过程，即该基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法，该方法包括如下的步骤：

[0036] 101.焊接螺母建模步骤，通过布点和投射，建立焊接螺母和母材的实体单元网格。在一个实施例中，焊接螺母建模步骤101包括如下几个子步骤：

[0037] 布点步骤，利用几何处理模块在焊接螺母的搭接面均匀布点，参照工程技术图纸，按焊缝的实际长度和位置，用硬点布置焊接区域，然后将硬点投射到母材表面上，使得焊接螺母和母材表面所生成节点的一一对应。

[0038] 焊接螺母网格生成步骤，利用壳单元划分出焊接螺母的外表面，焊接螺母在基础的范围内是四边形单元，焊接螺母为封闭的壳，将该封闭的壳定义为体，然后用投射(map)的方法生成六面体实体单元网格。

[0039] 母材网格生成步骤，从母材的中面抽出，用偏移(offset)的方法，生成六面体实体单元网格，其中母材在基础的范围内是四边形单元。

[0040] 材料参数设置步骤，给焊接螺母和母材赋予材料参数。在一个实施例中，材料参数设置步骤中设置的参数包括：密度，弹性模量，泊松比等。

[0041] 102.焊接螺母与母材连接面的建模步骤，对焊线以及焊接螺母和母材之间的接触建模。在一个实施例中，焊接螺母与母材连接面的建模步骤102包括：

[0042] 焊线建模步骤，将焊线所在区域内，焊接螺母和母材的搭接面内的节点一一对应地粘结起来，生成共节点单元。

[0043] 接触建模步骤，基于有限元分析，将焊接螺母与母材的搭接面上除焊缝的区域作为接触区域，对接触建模，其中，母材上的接触区域做为从面，焊接螺母上的接触区域作为主面，接触方式为面-面接触，具有预设的摩擦系数，接触类型为运动型接触。在该实例中，摩擦系数设置为0.2。

[0044] 本发明的步骤102焊接螺母与母材连接面的建模步骤实现了“共节点+接触”建模的方式，参考图4所示，图4揭示了焊接螺母“共节点+接触”建模的示意图。

[0045] 103.螺栓建模步骤，对与焊接螺母配合的螺栓建模。螺栓建模步骤中103螺栓由一维梁单元建模，按螺栓的型号设置界面和材料的参数。

[0046] 104.焊接螺母与螺栓装配的建模步骤，对螺栓与焊接螺母的连接的建模并设置螺栓预紧力。在一个实施例中，焊接螺母与螺栓装配的建模步骤104包括：

[0047] 螺栓与焊接螺母的连接的建模，焊接螺母内螺纹的区域的所有节点用刚性单元抓取，生成第一刚性单元，将第一刚性单元的质心点连接一维梁单元的一端，再用刚性单元将母材表面上被螺栓的螺帽压紧的范围内的节点抓取，生成第二刚性单元，将第二刚性单元的质心连接一维梁单元的另一端，参考图5所示，图5揭示了焊接螺母、螺栓和母材的刚性连接建模示意图。在图5中，第一刚性单元和第二刚性单元均由刚性单元图标表示，第一刚性单元、第二刚性单元和一维梁单元都属于建模单元。

[0048] 设置螺栓预紧力，利用有限元分析，按照螺栓等级在一维梁单元上设置预紧力。螺栓等级可以参照机械手册的规定，在该实例中，利用有限元分析软件，按照机械手册规定，M8，6.8级螺栓的预紧力是17000N，预紧力施加在一维梁单元上。

[0049] 105.有限元计算步骤，将所建立的模型移入疲劳有限元计算模型中，通过有限元程序的仿真，得到有限元焊接螺母的受力模式。在一个实施例中，有限元计算步骤中将刚性连接单元作为仿真对比。在有限元计算步骤105中，将所建立的焊接螺母模型移入有限元计算模型，同时，为了很好的对比仿真结果，该实例中引入了目前在汽车模拟计算中最常用的刚性连接单元作为模型进行仿真对比。通过商业有限元解算程序Abaqus的仿真，最终可以获得尾管支架上的应力分布结果，并将其与试验结果进行对比。经过对比，运用本技术的计算模型得到的应力分布情况与试验吻合度好，不仅最大应力出现在焊接螺母的焊接边缘处，而且应力分布图中应力分布所形成的三角形与试验中开裂的形状相一致，此外最大应力为275MPa，略大于母材的屈服强度272MPa，表明该支架有疲劳开裂风险。而使用常规的刚性连接的计算模型得到结果，由于螺母与母材之间通过刚性连接大大增加了焊缝处的刚度，使原来薄弱的焊线处的应力发生明显的降低，最大应力仅为0.9MPa，远小于母材的屈服强度，无疲劳开裂风险，并且应力分布图形也与试验的开裂形式不符。

[0050] 由于应力分布情况是汽车疲劳模拟计算中最为关键和直接的依据和标准，因此，可以看出，“共节点+接触”建模方法提供了快速，正确的焊接螺母的有限元模型，进而可以辅助汽车结构设计人员迅速，准确地评估母材的疲劳性能，为零件的进一步优化改进提供可靠的CAE分析支持。

[0051] 本发明具有以下优点：

[0052] 1.建模过程简单：只需进行简单的共节点粘结，接触对的设置，预紧力的施加材料属性的设置，就能够将焊接螺母模型移植到任何汽车疲劳仿真模型中去，且参数可以调整。

[0053] 2.仿真精度高：由于建立的焊接螺母模型综合考虑了螺母与板材之间的焊缝及接触，螺栓施加预紧力，使得焊接螺母侧的板材受力情况与真实情况完全一致，因此能够正确模拟焊缝在疲劳载荷的作用下的力学行为和变形模式。

[0054] 3.仿真效率高：对主要分析的焊接螺母及同侧的母材采用实体建模，而对次要分析的螺栓采用梁单元。

[0055] 4.仿真稳定性好：焊接螺母与母材表面的网格一一对应，使得接触的主面和从面上的节点完全对应，因此不会出现隐式计算中不收敛的问题，在壳单元和实体单元中经常出现的射点，负体积等解算不稳定现象都不会在本焊接螺母模型中出现。

[0056] 本发明的基于汽车疲劳仿真的焊接螺母有限元建摸方法针对现有技术的不足，既考虑了焊接处的连接结构，又考虑了螺母对板材的接触效应。能够准确模拟焊接螺母在疲劳仿真中的变形行为，进而得到准确的板材应力分布，该方法快速有效，便于工程技术人员掌握。

[0057] 上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。