数值模拟技术在白车身电阻焊中运用

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数值模拟技术在白车身电阻点焊中的运用
Application of Numerical Simulation in Resistance Spot Welding of Car White Body
高勇1 黎峰2
(广州本田汽车有限公司 焊装科，广州  510700)
GAOYong  LIFeng
（Welding Department, Guangzhou Honda Automobile Co., Ltd, Guangzhou, Guangdong , China ,510700）

摘要：本文介绍了数值模拟技术在轿车白车身电阻点焊中的应用，包括如何应用有限元法对点焊进行力学建模，分析焊点处的残余应力和变形。
关键词： 数值模拟 白车身 电阻点焊
Abstract：Car white body control is introduced，including basic quality concept，factor of influence on body quality，welding quality detection，Advanced 2mm industrial engineering is also introduced in this paper.
Key words：Numerical Simulation  White Body  Resistance Spot Welding  
         
1．引言
现代科学技术的发展，数值模型和数值模拟技术发挥越来越重要的作用，特别是对一些复杂的高阶、非线性、时变的系统，用普通的解析法已很难进行求解。现在在诸如军事、航空航天、汽车领域中，虚拟工程使得整个制造过程在计算机上得到了实现，这大大地缩短了产品的开发周期，提高了产品的市场竞争力。在汽车领域中，诸如车身设计及优化、汽车碰撞分析、车身焊点疲劳强度的分析、汽车行驶中风场的分析等等都可借助数值模拟技术加以研究；随着汽车市场竞争的白热化，新车型推出的速度越来越快，研发时间大大减少，没有虚拟工程的帮助，很难生产出高品质的汽车。21世纪焊接科学技术的发展，其中焊接基本现象的模拟与仿真被列为最重要的研究方向之一[2]。我国国家自然科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工领域的发展方向之一[3]。
计算机模拟是使包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、 从“经验”走向“科学”的重要标志。采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。在制造业，计算机模拟与仿真可以增加材料利用率25％，节约生产成本30％，产品设计至实际投产的时间缩短40％[4]。

1．数值模拟技术在焊接中的运用
焊接是一个涉及了电、热、冶金和力学的复杂的物理化学过程，焊接工艺在过去一般 通过一系列的试验或根据经验获得的；现在材料技术的迅猛发展，大量新钢材的应用，给工业设计部门提出了一项急迫的任务：如何在较短的时间内设计出有竞争力的新产品？用传统的设计方法（借助试验累积的数据需要很长时间，很大的精力）已不能满足复杂的、快速响应市场的新产品；因此。必须借助数值方法，通过少量的试验来验证数值方法在某一问题上的使用性，而不是在试验室内进行大量的试验，这样就大大节约了人力、物力和时间，具有很大的经济效益；
焊接过程数值模拟的方法
数值模拟的基础是能用数学模型来描述自然界或工程界所发生的现象，通过模拟可以这些现象重现出来，从而可以使人们对产生这一现象的机制及各种影响因素有更深的
了解。当描述某一现象的数学模型可以用数学模型推导或演绎求解时，所获得的结果就是解析解。对于一些复杂的数学模型，例如，高阶的、非线性的，与时域相关的微分或积分方法，往往只能求助于数值方法求解、数值解法的计算工作量很大，但这对于当今计算机技术以及数值计算理论发展水平来说，这已不是不可克服的困难。
    常用的数值解方法有：差分法、有限元法、蒙特卡洛法。
1．焊接过程数值模拟涉及的对象
    目前，焊接领域采用数值模拟方法涉及的对象大致有以下几个方面：
   （1）焊接温度场的数值模拟   其中包括焊接热传导、电弧物理现象、焊接熔池的传热、传质行为等。
   （2）焊接应力与变形的数值模拟   包括焊接过程中瞬态热应力应变和残余应力应变等。
   （3）焊接化学冶金与物理冶金过程模拟   包括化学元素过渡、凝固、晶粒长大、偏析、固态相变、热影响区脆化、氢扩散等。
   （4）焊接接头的力学行为和性能的数值模拟   包括断裂、疲劳、力学不均匀性，几何不均匀性及组织、结构、力学性能等。
   （5）焊缝质量评估的数值模拟   包括裂缝、气孔等各种缺陷的评估及预测。
   （6）特殊焊接过程的数值分析   如电阻焊、激光焊、电子束焊、瞬态液相焊、陶瓷金属连接等。
    有限元方法是将连接的物体本身离散化，分解为由有限个单元组成的高效化模型，即进行网格划分，进而对离散化模型求数值解。由于这种方法概念清析，单元网格划分形象、直观，不受物体几何形状、边界条件和物理特性的限制、适用性强、非常灵活、容易掌握，因此得到了广泛应用。在有限元法的基础上又发展了边界元法。
    目前在焊接过程的数值模拟中，基本上是以有限元法为基础，配以解析解，有限差分，蒙特卡洛等方法，而且在实际应用中，各种方法常常相互交叉渗透。例如：在焊接瞬态热传导数值模拟中，空间域采用有限元方法，而时间域则采用差分法，将两种方法结合起来求解，可取得较好的效果。
    目前在进行有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算分析软件，如：ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWBLD等可供焊接工作者选用。这些软件可以进行二维甚至三维的电、磁、热、力等各方面线性和非线性的有限元分析，而且具有自动划分有限元网格和自动整理计算结果并使之形成可视化图形的前后处理功能。也可以利用上述商品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果，
焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理—化学过程。由于焊接过程涉及的变量数目繁多，单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程，既不切实际又成本昂贵和费时费力。随着计算机技术的发展，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，成为一种强有力的手段。计算机模拟方法为焊接科学技术的发展创造了有力的条件[1]。
（1）焊接温度场的数值模拟   温度场的模拟是对焊接应力应变场及焊接过程其他现象进行模拟的基础，同时通过温度场的模拟还可以预测焊接熔池形状，满足设计要求，防止诸如未熄透、烧穿、咬边、熔池等缺陷的产生。
2）焊接应力与变形的模拟   焊接应力与变形问题可以分为丙类，一是焊接过程中的瞬态热应力应变分析，二是焊后的残余应力与应变计算、目前针对后者进行分析计算的较多，其目的是为了减少残余应力控制残余变形，防止各类缺陷的产生
国内在20世纪80年代开始了焊接数值模拟方面的研究工作，西安交通大学和上海交通大学在焊接传热和热弹塑性应力分析方面做了大量的研究，大连交通大学在焊接传热及焊缝内部组织方面做了很多工作；目前，由于材料在高温时的力学性能数据不足，给焊接过程数值模拟分析带来了不少困难。
焊接热过程是影响焊接质量的和生产率的主要因素之一，对焊接热过程的准确计算和测定，对焊接冶金分析和焊接应力、变形分析及对焊接过程进行控制有很重要的指导意义。
目前，焊接数值模拟技术主要涉及以下几方面的内容：
⑴、焊接热传导；⑵、焊接溶池流体动力学；⑶、电弧物理；⑷、焊接冶金和焊接接头组织性能的预测；⑸、焊接应力与变形；⑹、焊接过程中的氢扩散；⑺、焊接接头力学性能；
在数值模拟和建立数学模型过程中，应十分重视实验验证工作，使数学模型能反映真实现象的本质和规律；两者缺一不可。
2.数值模拟技术在轿车白车身电阻点焊中的运用
电阻点焊既具有一般焊接方法的共性，又有其自身的个性，电阻点焊过程包含电场、热传导及热弹塑性变形问题，因此，必须考虑所有这些问题的相互作用和耦合效应。工件之间以及工件和电极之间的接触状态对焊接电流及其产生的热有很强的影响；弄清楚此点是非常重要的。
利用数值模拟技术（计算）不仅可以预测焊接结构的残余应力与变形，全面掌握结构的特性，而且可以通过优化焊接方法、顺序和工艺，控制（减小）焊接应力和变形，另外还可以节约大量的实验费用，有效地缩短研制和开发周期，因此是一种高效低成本的优化工艺的方法和预测与控制技术。
长期以来，基础学科的理论知识难以定量指导材料加工过程，材料热加工工艺设计只能建立在“经验”基础上。近年来，随着试验技术及计算机技术的发展和材料成形理论的深化，材料成形过程工艺设计方法正在发生着质的改变。材料热加工工艺模拟技术就是在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在试验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计。它将使材料热加工沿此方向由“技艺”走向“科学”，并为实现虚拟制造迈出第一步，使机械制造业的技术水平产生质的飞跃。
为了模拟材料的热加工过程，需要了解工件材料的热物性参数、高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始条件、边界条件的数据。这些数据的准确性对计算结果有很大的影响，为此，必须重视这些基础数据的获得。   
材料的热物理及力性参数数值的一般获得途径是：通用材料主要靠查表；特殊材料由用户提供；尚无法通用实验获得的高温数据用外推法。
应用模拟技术，已经成功地解决了焊接件的变形、冷裂、 热裂；
一般来讲，数值模拟均需用实验或物理模拟方法校核，当两者有差别时，应以实验为准；在重视工艺数理模型及算法研究的同时，要重视加强物理模拟及测试技术，使其在揭示过程本质、检验、校核数值模拟结果，提高模拟精度方面发挥重要的作用。
在重视工艺数理模型及算法研究的同时，要重视加强物理模拟及测试技术，使其在揭示过程本质、检验、校核数值模拟结果，提高模拟精度方面发挥重要的作用。

材料热加工工艺模拟的研究历程及技术发展趋势
近一、二十年来，材料热加工工艺模拟技术不断向广度、深度扩展。模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场模拟普遍进入到耦合集成阶段，以真实模拟复杂的实际热加工过程。解决特种热加工工艺电阻焊模拟及工艺优化问题；应用模拟技术，目前的热点集中在焊接件的变形、冷裂、 热裂等常见缺陷的预防和消除方法的研究。
    数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当前数值模拟的研究热点，为此非常重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得与积累等基础性研究。物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。
在有限元分析中焊点处理方式是其中重要的一环:
(1)不同的分析应采用不同的焊点模拟方式,在碰撞分析中一般采用刚体约束模拟焊点。
(2)刚体约束模拟焊点需得到焊点的拉伸特性和剪切特性,此特性可以通过高速拉伸试验获得。
(3)由于在实车碰撞中会发生焊点失效,碰撞模拟分析中焊点模拟必须考虑断裂特性,如不考虑焊点断裂将会直接影响模拟精度。
在整车碰撞模拟中通常十分重视对焊点的模拟,焊点的处理正确与否,将直接影响到碰撞模拟的精度.由于在碰撞模拟中,各零部件的变形量和位移量都很大,远远大于焊点自身的变形量,因此碰撞分析与静态分析不同,对分析结果影响更大的是焊点的强度,而不是刚度,所以在碰撞模拟中,通常采用可断裂刚体约束来处理焊点。
4．应用实例
在白车身实际生产过程中，时常会出现由于不同零件供应商提供的零件配合精度存在偏差，这些偏差出现在外观会较容易被发现，但如果出现在车身内侧就会很难被发现，往往有可能导致出现不良品；配合不良不仅仅影响车身精度，而且在配合不良部位的焊点强度也将受到很大的影响；特别是随着汽车轻量化技术的发展及高强度板材的大量应用，由于高强度板材的高温屈服强度高、变形相对较难，对车身配合精度就提出了更高的要求，包括零件的加工精度也必须相应的提高，否则对焊点强度的影响将是很大的；笔者通过现场试片试验和数值模拟分析两方面的对比分析，得出了某类板材的配合精度和焊点强度之间的关系。在数值模拟分析中借助美国ANSYS公司功能强大的有限元分析软件ANSYS对焊点进行力学建模并计算分析。
单元：电极和零件采用PLANE42单元，电极和零件接触部分采用CONTACT48单元；电极压力32000N，焊接电流50HZ、8200A，焊接时间14周波，现场温度25℃，t1=1.6mm,t2=2.0mm,b1=b2=40mm,Φ端面电极=6mm, Φ电极=16mm,电极及零件材料属性（略）；
建立了电阻点焊过程的有限元分析模型,采用基于显微接触理论的接触电阻模型模拟点焊过程中试件与试件界面上的接触电阻。计算获得了焊接过程中电极/试件和试件/试件接触界面上接触半径的变化,以及试件间界面上压应力、电流密度和温度的分布。
5、模拟技术发展的前景和展望
计算机模拟为焊接技术的发展创造了有力的条件，可以期望在21世纪内包括焊接在内的热加工研究模式将转变为“理论—计算机模拟—生产”，这将大大提高热加工工艺的科学水平，节省大量实验所需的人力物力。
    在焊接过程数值模拟的研究过程中，应十分重视实验验证工作，可以预料，只要在获得焊接过程的物理参数和开发测试装置和方法等方面继续做出努力，焊接模拟技术必将得到越来越快的发展，并具有广阔的应用前景。
由于焊接过程的复杂性，大量有关焊接过程的数值模拟研究成果与实际应用仍有较大差距，而且模拟中有不少问题有待解决，对于已经能够解决的问题存在着精度不高或耗费大的问题。近年来随着人工智能技术的进展，人工神经网络，模糊控制，专家系统等技术也被引入到焊接过程模拟中来，逐步形成了“智能适用型模拟方法”。

主要参考文献
[1]机械部科技与质量监督司，日本、美国机械与汽车制造技术考察报告 1