一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法

1.本发明属于材料焊接技术领域，应用于焊点疲劳寿命预测过程中，具体为一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法。


背景技术：

2.在工程及制造业中，焊接技术的应用相当广泛；一般情况下，一辆轿车的白车身就具有约3000至6000个焊点，焊点周围存在较严重的应力集中，因此疲劳裂纹易于形成和扩展；车身结构的大部分疲劳失效都发生在焊点或焊点周围，焊点的局部失效会降低整车的各种功能指标，例如刚度、振动、噪声及车辆耐久性等。如何对焊点失效行为进行准确预测，就成为了整车开发过程中的重要环节；现有技术对焊点疲劳寿命的预测分析过程，始终缺乏一种高精度的预测模型，而高精度预测模型是制约焊点失效行为预测精度的先决条件，因此本领域技术人员已将探寻高精度预测模型的过程及实现预测的方法作为本领域的研究重点。


技术实现要素：

3.本发明给出了一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，该方法获得了高精度的焊点疲劳寿命预测模型并加以应用，模型可以涵盖不同材料组合、不同板厚、不同焊核尺寸、不同焊点受力状况对疲劳寿命的影响；该模型的拟合对标过程采用结构应力法，非线性grg优化方法，通过焊点疲劳试样对标、盒子件对标修正模型参数，提高预测精度，并应用于某车型的车门过开工况的焊点疲劳寿命预测，重现焊点疲劳失效问题，且在原设计方案基础上提出焊点优化方案，规避焊点失效问题。
4.本发明采用了以下技术方案来实现目的：
5.一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：
6.s1、对试验材料进行焊点疲劳参数的拟合与优化，确定焊点疲劳寿命预测模型的基础参数表；
7.拟合的参数基于焊点模型及结构应力，并且格式能够用于ncode软件的焊点疲劳计算；建立测试样件的有限元模型进行分析，提取焊点的力与力矩，计算结构应力。
8.s2、对试验材料的多种试样组合进行焊点疲劳试验测试，将得到的多种测试数据拟合形成1条s-n曲线并获得曲线参数，作为原始焊点参数；对原始焊点参数进行不同载荷下焊点试样的有限元分析，依据试样分析结果修正原始焊点参数，得到1.0版焊点参数；
9.整个流程保证模型建立、调试、分析和优化拟合的参数，加载与约束方式等与试验完全一致，使分析结果满足以下要求：焊点试验平均寿命与有限元分析寿命误差在3倍之内；试样分析基于nastran软件和ncode软件。
10.s3、将s-n曲线和修正得到的1.0版焊点参数应用于焊点试样的对标，在对标过程中再次修正s-n曲线，从而得到修正后的2.0版焊点参数；随后制作盒子件并进行焊点疲劳试验，依据2.0版焊点参数，进行盒子件有限元分析及对标工作，验证2.0版焊点参数的预测
精度；完成验证的2.0版焊点参数即为焊点疲劳寿命预测模型的最终参数；
11.盒子件有限元分析及对标工作的分析结果满足以下要求：焊点失效位置吻合，试验平均寿命与有限元分析寿命误差在3倍之内。
12.s4、运用具有2.0版焊点参数的焊点疲劳寿命预测模型，对实际的焊点疲劳预测任务进行有限元分析，重现焊点失效位置，得到焊点优化方案，从而规避焊点失效问题；
13.建立侧向载荷耐久分析的有限元模型，约束加载方式与实际试验相同，运用模型进行车门侧向载荷耐久的有限元分析，重现焊点失效位置，得到焊点优化方案，从而规避焊点失效问题；车门侧向载荷耐久分析采用abaqus软件和ncode软件。
14.综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：
15.本发明的焊点疲劳寿命预测方法，经过详尽的试验对比与分析，其预测精度极高，对焊点疲劳寿命的预测过程中失效位置与试验结果一致；本发明方法中得出的焊点疲劳寿命预测模型，可以涵盖不同材料组合、不同板厚、不同焊核尺寸、不同焊点受力状况等多种因素对焊点疲劳寿命的影响；通过焊点疲劳寿命预测方法的实际应用，可得出焊点优化方案，规避焊点失效问题，在制造业中具有极大应用前景。
附图说明
16.图1为本发明的方法的步骤核心流程示意图；
17.图2为焊点圆盘模型的示意图；
18.图3为焊点疲劳测试数据拟合流程示意图；
19.图4为焊点网格细化原则示意图；
20.图5为焊点疲劳寿命曲线图；
21.图6为优化后的焊点疲劳寿命曲线图；
22.图7为焊点疲劳试验结果示意图；
23.图8为焊点试样有限元分析结果示意图；
24.图9为优化后的1.0版焊点疲劳寿命预测模型图；
25.图10为1.0版焊点参数计算的焊点试样疲劳寿命结果示意图；
26.图11为2.0版焊点参数计算的焊点试样疲劳寿命结果示意图；
27.图12为ncode修正参数计算的焊点试样疲劳寿命结果示意图；
28.图13为试样级修正后的s-n曲线图；
29.图14为盒子件疲劳试验及有限元模型示意图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。
32.本实施例提供一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，方法整体过程如图1所示。在本实施例中，将结合完整的试验过程与试验数据结果，详细说明本发明方法的实施过程及带来的预测精度效果。
33.步骤一、试验材料的焊点参数拟合与优化。
34.本实施例中此处的试验材料为dc04材料，对dc04材料组合的拉剪试样进行焊点疲劳寿命测试，测试数据和报告如下：
35.试验样品：对dc04焊点拉剪疲劳试样原材料，根据gb/t3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》中的疲劳试验方法要求对材料进行轴向力控制疲劳测试，数量19件。
36.试验方法：依据材料在不同的载荷状态下循环加载失效规律，采用成组法对同种材料在不同的力值载荷水平下进行疲劳试验测试。试验在疲劳寿命10
4-107次范围内，每个载荷水平下进行约3次试验，试验的指定循环次数为1
×
107次，试验频率为3-60hz，试验全程采用计算机实时监控，疲劳周次由计算机自动记录。加载模式为拉-拉加载，试验加载谱为正弦波，载荷比r＝0.1，疲劳失效判据为试样断裂或者裂纹长度大于焊点熔核直径。试验设备为200kn电液伺服疲劳试验机。
37.试验结果如下表1所示。
38.进行完拉剪试样进行焊点疲劳寿命测试后，紧接着进行剥离试样的焊点疲劳寿命测试。
39.表1dc04焊点拉剪疲劳试验数据表
[0040][0041]
试验样品：对dc04焊点剥离疲劳试样原材料，根据gb/t3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》中的疲劳试验方法要求对材料进行轴向力控制疲劳测试，数量22件。
[0042]
试验方法与前述的拉剪试样的方法基本相同，仅试验频率更改为0.5-15hz，得到
的试验结果如下表2所示。
[0043]
表2dc04焊点剥离疲劳试验数据表
[0044][0045][0046]
以下为步骤一中焊点疲劳数据拟合方法及流程。
[0047]
拟合过程采用rupp的结构应力方法，焊点通过圆盘型的结构模拟，如图2所示。结构应力由作用在焊核的力和力矩计算得到，力和力矩通过有限元分析得到。在该方法中采用经验系数的方式考虑不同板厚、不同焊核直径以及不同应力类型对焊点疲劳寿命的影响，且该方法对网格尺寸的依赖性小，较名义应力法有明显优势。
[0048]
结构应力公式作为本领域技术人员熟知且广泛应用的公式，在此不再赘述，公式中应涉及的参数包括：焊点疲劳试验标准件的焊核直径、焊点疲劳试验标准件的厚度、3个缩放系数、3个厚度指数和3个直径指数。
[0049]
拟合后的优化过程采用非线性广义缩减梯度算法(nonlinear generalized reduced gradient(grg)algorithm)，该方法将约束问题转化为无约束的非线性规划问题，寻优过程采用最速下降法，适用于多变量约束问题的优化求解，采用最速下降法，能快速的收敛于局部最优解。数据拟合的具体流程请参看图3的示意。
[0050]
本实施例中，焊点模型采用acm方式建模，并进行局部网格细化；如图4所示，以车身焊点直径6mm为例，细化原则如下：
[0051]
焊点acm(equivalenced-(t1+t2)/2)的建模方式，焊点直径为6mm；
[0052]
细化焊点：以焊点connector为中心划分出3圈正方形，具体单元尺寸见图4所示；
[0053]
确保acm焊点模型的rbe3单元所抓取面积为实际焊核面积，应尽可能接近；即要求：x2＝πr2，r为实测焊核半径；
[0054]
确保rbe3单元抓取的壳单元及其临近单元中不出现三角形单元。
[0055]
紧接着，对焊点拉剪和剥离试样进行有限元建模，其中焊点采用acm方式，焊点直径和边距均根据实测均值建模。有限元模型及静力分析得到的单位载荷下焊点力和力矩计算结果如下表3所示。
[0056]
表3 dc04单位载荷下焊点力和力矩计算结果表
[0057] 拉剪试样剥离试样fx12.05497e-04fy00fz0.0107681mx1.11601e-03-11.8562my0.350012.79492e-03mz00
[0058]
将单位载荷下焊点力和力矩代入结构应力计算公式，得到结构应力初值如下表4所示。
[0059]
表4 dc04焊点结构应力初值表
[0060] σ(fx)σ(fy)σ(fz)σ(mx)σ(my)σ拉剪试样0.090200.01920.0004250.13320.2426剥离试样0.000001.7867-4.51151.06e-036.2982
[0061]
采用单位载荷法将上述结构应力初值与疲劳试验得到的力-疲劳寿命结果相乘，得到图5所示的焊点疲劳寿命曲线。
[0062]
从拟合结果来看，此时的拟合度r2仅有0.6174，不能满足拟合度r2》0.7的要求；采用非线性grg的方法对9个参数进行优化。整个优化过程在excel中实现，在excel中定义9个优化初值和结构应力计算公式；采用“数据”选项卡中的“规划求解”功能，选择非线性grg的方法进行数据优化，从而得到如图6所示的优化后的焊点疲劳寿命曲线。
[0063]
由图6可见，优化后的拟合度r2提高到0.9489，满足拟合度r2》0.7的要求；此时已经可以确定出确定焊点疲劳寿命预测模型的基础参数表，如下表5所示。
[0064]
表5焊点疲劳寿命预测模型基础参数表
[0065]
sri1应力范围截距6298.9b1第一个疲劳强度指数-0.217nc1疲劳转变点2e6b2第二个疲劳强度指数-0.09091se标准差0.86rr测试的应力比0.1nfc疲劳截断次数1e30sf-fxyfx或fy(剪切力)引起的应力的标度系数0.9948de-fxyfx或fy(剪切力)引起的应力的直径指数0.4756te-fxyfx或fy(剪切力)引起的应力的厚度指数1.5596e-6sf-mxymx或my(弯曲力矩)y引起的应力的标度系数0.4405de-mxymx或my(弯曲力矩)引起的应力的直径指数0.1948te-mxymx或my(弯曲力矩)引起的应力的厚度指数0.5106sf-fzfz(轴向力)引起的应力的标度系数3.4118e-05de-fzfz(轴向力)引起的应力的直径指数0
te-fzfz(轴向力)引起的应力的厚度指数0.4079
[0066]
此时对焊点疲劳寿命预测模型的拟合效果进行验证，将优化后的焊点疲劳寿命预测模型用于ncode软件疲劳计算，验证拟合效果，计算结果如下表6所示。
[0067]
表6 ncode软件疲劳计算结果表
[0068][0069][0070]
由计算结果可见，计算寿命均在焊点疲劳试验平均寿命的3倍以内，满足要求。
[0071]
步骤二、试样级的分析与对标。
[0072]
焊点试样考虑了不同材料、不同板厚、不同应力类型的影响，本实施例中将14组材料组合的焊点疲劳试样设计如表7所示，焊点疲劳试验结果如图7所示。
[0073]
表7焊点疲劳试样设计表
[0074][0075]
对焊点拉剪和剥离试样进行有限元建模，其中焊点采用acm方式。通过有限元静力分析得到的单位载荷下焊点力和力矩计算结果如图8所示。
[0076]
对焊点疲劳试验得到的力-疲劳寿命测试结果采用步骤一中所述结构应力方法、非线性grg优化的方法进行数据处理。可得出如图9所示的经过优化后的1.0版焊点疲劳寿命预测模型。优化后的1.0版焊点参数取值如表8所示。
[0077]
表8 1.0版焊点参数表
[0078][0079]
将14组试验数据拟合优化得到的s-n曲线及焊点参数v1.0应用于焊点试样对标，并对曲线进行修正，需满足所有对标点(共78组)计算寿命在试验寿命3倍以内的要求。计算结果如图10所示。
[0080]
由图10可见，共有8个点超出疲劳寿命3倍以内的要求。将s-n曲线截距sri1＝10010.7调整为10385，拐点nc1＝2e6调整为5e6；从而得到修正后的2.0版焊点参数，将修正后的2.0版焊点疲劳寿命预测模型进行疲劳寿命计算，计算结果如图11所示。
[0081]
由图11可见，所有数据点均满足疲劳寿命3倍以内的要求。
[0082]
同时，在此处将传统意义上应用广泛的焊点疲劳寿命计算参数，即ncode软件原有的修正参数，如下表9所示：在ncode默认焊点s-n曲线参数的基础上修正截距、斜率和拐点，用于试样疲劳计算，验证ncode软件修正参数的预测精度，与本实施例中的2.0版焊点参数
进行对比。ncode软件修正参数的计算结果如图12所示。
[0083]
表9ncode软件修正参数表
[0084][0085]
由图12的计算结果可见，ncode修正参数下共有16个点超出疲劳寿命3倍的要求。因此不建议用传统的ncode修正参数进行焊点疲劳寿命预测。
[0086]
经过上述试样对标分析与参数修正后，确定出了如下表10所示的2.0版焊点参数，以及如图13所示的经过试样级修正后的s-n曲线；参数及曲线将用于后续的盒子件疲劳对标过程。
[0087]
表10 2.0版焊点参数表
[0088][0089]
步骤三、盒子件的分析与对标。
[0090]
盒子件试样设计如下表11所示，共有3组试样，分别是ca04、ca28、ca59。
[0091]
表11盒子件试样设计表
[0092][0093]
对盒子件进行疲劳试验，并根据实际约束边界建立如图14所示的有限元模型。模型采用8mm网格划分，在圆角区域需要至少3排单元；法兰边区域6mm划分，3排单元。焊点模型仍与前述要求一致，采用acm方式建立焊点，焊点尺寸根据实测值换算。rbe2抓取区域也如图14所示。
[0094]
采用具有2.0版焊点参数的焊点疲劳寿命预测模型对盒子件进行静力分析及疲劳寿命计算，3组试样的计算结果表如表12至14所示。
[0095]
表12盒子件ca04疲劳寿命试验及计算结果对比表
[0096][0097]
表13盒子件ca28疲劳寿命试验及计算结果对比表
[0098][0099]
表14盒子件ca59疲劳寿命试验及计算结果对比
[0100][0101]
由上述盒子件分析对标的计算结果可见，采用2.0版焊点参数的焊点疲劳寿命预测模型进行盒子件的疲劳寿命计算，仿真失效位置与试验位置吻合的情况下，计算寿命满足测试寿命3倍以内要求。经盒子件对标分析，2.0版焊点参数具有较好的预测精度；由此，将完成验证的2.0版焊点参数作为焊点疲劳寿命预测模型的最终参数，详细信息如下表15所示。
[0102]
表15具有2.0版焊点参数的焊点疲劳寿命预测模型参数表
[0103][0104][0105]
步骤四、对某车型车门侧向载荷耐久试验焊点问题的实际应用。
[0106]
建立侧向载荷耐久分析有限元模型、约束加载方式与前述试验结果一致，运用步骤三最终得出的2.0版焊点参数，进行车门侧向载荷耐久的有限元分析，重现焊点失效位置，提出优化方案，且根据整改方案，实现规避失效问题的目的。车门侧向载荷耐久分析采用abaqus和ncode软件。
[0107]
结合上述方法过程及试验证明，本实施例提出的高精度焊点疲劳寿命预测模型可以涵盖不同材料组合、不同板厚、不同焊核尺寸、不同焊点受力状况对焊点疲劳寿命的影响，能带来比传统ncode修正参数更高的预测精度，具有广泛的应用前景。

技术特征：
1.一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、对试验材料进行焊点疲劳参数的拟合与优化，确定焊点疲劳寿命预测模型的基础参数表；s2、对试验材料的多种试样组合进行焊点疲劳试验测试，将得到的多种测试数据拟合形成1条s-n曲线并获得曲线参数，作为原始焊点参数；对原始焊点参数进行不同载荷下焊点试样的有限元分析，依据试样分析结果修正原始焊点参数，得到1.0版焊点参数；s3、将s-n曲线和修正得到的1.0版焊点参数应用于焊点试样的对标，在对标过程中再次修正s-n曲线，从而得到修正后的2.0版焊点参数；随后制作盒子件并进行焊点疲劳试验，依据2.0版焊点参数，进行盒子件有限元分析及对标工作，验证2.0版焊点参数的预测精度；完成验证的2.0版焊点参数即为焊点疲劳寿命预测模型的最终参数；s4、运用具有2.0版焊点参数的焊点疲劳寿命预测模型，对实际的焊点疲劳预测任务进行有限元分析，重现焊点失效位置，得到焊点优化方案，从而规避焊点失效问题。2.根据权利要求1所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述s1具体包括如下步骤：s11、对试验材料组合的拉剪试样和剥离试样进行焊点疲劳寿命测试，得到焊点疲劳参数；s12、采用rupp的结构应力方法对焊点疲劳参数进行拟合，其中焊点采用圆盘形的结构进行模型模拟，实现有限元分析过程；s13、采用非线性广义缩减梯度算法对拟合后的焊点疲劳参数进行优化；s14、使焊点疲劳参数拟合过程中的拟合度r2>0.7，建立焊点模型并进行有限元分析，提取焊点的力与力矩，计算结构应力，完成优化过程，即可得出焊点疲劳寿命预测模型的基础参数表；s15、将优化后具有基础参数表的焊点疲劳寿命预测模型用于ncode软件的疲劳计算中，验证拟合效果，确保模型基础的准确建立。3.根据权利要求2所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述s12中，焊点模型采用acm方式进行建模，并进行局部网格细化；细化过程中确保acm焊点模型的rbe3单元抓取面积为实际焊核面积，确保rbe3单元抓取的壳单元及其临近单元中不出现三角形单元。4.根据权利要求3所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于，对拉剪试样和剥离试样进行有限元建模及焊点疲劳参数拟合的具体过程为：焊点采用acm方式建模，焊点直径和边距依据实测均值建模；通过有限元模型及静力分析，得到单位载荷下焊点力和力矩计算结果；将单位载荷下焊点力和力矩计算结果代入结构应力计算公式，得到结构应力初值；采用单位载荷法，依据结构应力初值和试验材料的焊点疲劳参数，得到焊点疲劳寿命曲线，完成拟合过程。5.根据权利要求2所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述s13中，完成拟合后，对焊点疲劳参数中多个参数进行优化；整个优化过程在excel中实现：在excel中定义多个优化初值和结构应力计算公式，使用“数据”选项卡中的“规划求解”功能，选择非线性grg方法进行参数优化过程。6.根据权利要求1所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特
征在于：所述s2中，将多种测试数据拟合形成1条s-n曲线的拟合过程中，拟合度r2>0.7；进行焊点试样的有限元分析采用nastran软件和ncode软件。7.根据权利要求6所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：焊点试样的有限元分析过程中，模型建立、调试、分析和优化拟合的参数，加载与约束方式，均与焊点疲劳试验一致；有限元分析结果需满足：焊点疲劳试验的平均寿命与有限元分析的寿命误差在3倍以内。8.根据权利要求1所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述s2中，试验材料的多种试样组合被均分为拉剪试样组和剥离试样组；多种试样组合的材料类型、应力类型和试样板厚均不同。9.根据权利要求1所述的一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述s4中，实际的焊点疲劳预测任务为车门侧向载荷耐久试验，建立侧向载荷耐久分析的有限元模型，约束加载方式与实际试验相同，运用具有2.0版焊点参数的焊点疲劳寿命预测模型，进行车门侧向载荷耐久的有限元分析，重现焊点失效位置，得到焊点优化方案，从而规避焊点失效问题；车门侧向载荷耐久分析采用abaqus软件和ncode软件。

技术总结
本发明提供一种考虑多因素影响的高精度焊点疲劳寿命预测方法，属于材料焊接技术领域，应用于焊点疲劳寿命预测过程中，为现有技术缺乏高精度焊点预测模型的情况提供了解决方法；本方法对焊点的疲劳寿命参数进行拟合和优化，建立测试样件的有限元模型进行分析，提取焊点的力与力矩，计算结构应力；通过试样级和盒子件的有限元分析及对标过程，不断修正得出最新焊点参数，来作为焊点疲劳寿命预测模型；分析过程中，令焊点失效位置吻合，且试验平均寿命与有限元分析寿命误差在3倍之内，由此获得的预测模型具备实际应用价值，能涵盖不同材料组合、不同板厚、不同焊核尺寸、不同焊点受力状况对焊点疲劳寿命的影响，实现高精度的焊点疲劳寿命预测。点疲劳寿命预测。点疲劳寿命预测。


技术研发人员：赵岩 王腾腾 姜发同 高峰 陈悟果 黄荣亚 范吉富 刘应波
受保护的技术使用者：北京理工大学重庆创新中心
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/1