不锈钢客车焊点强度快速评估系统开发

孙新礼，许晶晶，谢素明，李娅娜

(1.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028：2.中车株洲电力机车有限公司 产品研发中心,湖南 株洲 412000)

不锈钢地铁车辆是由大量具有复杂结构的零部件组成的，在焊接时，焊缝区域产生的热量不能及时散失，易造成车体的焊接变形[1].因点焊技术能够明显减少焊接变形，所以现如今通常使用点焊作为车体连接形式，但因其技术工艺复杂，造价太高，所以如何从设计阶段对焊点进行强度评估对不锈钢车体设计具有重要意义.

目前针对焊点强度的研究主要基于数值模拟，布局优化等方面[2-6]，但在焊点强度快速评估方面研究较少.程亚军等人基于标准和点焊接头的试验数据对车体焊点进行了静强度和疲劳强度评估[7].王鹏等人使用TCL对Hypermesh进行二次开发，实现对载荷步和载荷工况的自动化施加[8].赵文平等人使用TCL开发了焊点静强度的快速评估及结果的可视化展示[9].但这些研究没有从整体上对分析全过程进行点焊强度的快速评估功性能的开发，只在某一方面进行了详细研究.鉴于此,本文通过MATLAB集成HYPERMESH与ANSYS，通过二次开发搭建了焊点快速评估系统，实现了焊点材料属性的快速赋予以及剪切力的快速提取及强度评估，并能将结果以多种形式输出，通过脚本封装，显著地减少了焊点评估的操作难度，节省了时间，也增加了可视性.

1 焊点模拟及强度评估方法

1.1 空间梁单元

图1所示为一空间梁单元，单元两端每个节点有六个自由度三个平动(u,v,w)和三个转动(θx,θy,θz)，梁单元两端分别受到三个力Pu，Pv，Pw，(沿轴线方向的轴向力和其它两个方向的剪力)及三个力矩Mx，My，Mz(绕轴线的扭矩和其它两个方向的弯矩)作用[10]，其在局部坐标系下的节点位移列阵qe以及节点力矩阵Fe如式(1)和式(2)所示.

图1 空间梁单元及其自由度图

qe=[u1ν1w1θx1θy1θz1u2ν2w2θx2θy2θz2]

(1)

Fe=[Pu1Pv1Pw1Mx1My1Mz1Pu2Pv2Pz2Mx2My2Mz2]

(2)

1.2 ANSYS中的空间梁单元

点焊车体的有限元模型中一般采用Beam188梁单元模拟焊点连接，图2为整体坐标系下的beam188单元以及其内部局部坐标系的定义.单元的x轴方向与整体坐标系无关，ANSYS中定义其为i节点指向j节点，对于两节点的情况，默认的y轴方向按平行x-y平面自动计算，第三个节点(K)将和i、j节点一起定义包含单元x轴和z轴的平面.

图2 Beam188 单元示意图

对于Beam188梁单元，当采用默认的KEYOPT(3)=0则采用线性的形函数，这样在ANSYS中Beam188单元提供i和j两个节点的六个节点力及弯矩，具体储存形式如表1所示.

表1 Beam188 单元各项参数储存形式

经对比i，j两节点所提取出的三个节点力相同，故提取i节点的两个剪切力SFy,SFz进行后续焊点强度的评估分析.

1.3 焊点强度评估方法

(1)静强度评估

工程上不锈钢点焊车焊点静强度评估一般采用英国标准BS EN15085-3:2007和美国AWS C1.1M/ C1.1-2012中焊点的最小剪切力与金属板的强度、板厚及焊核直径的关系，来评价焊点的静强度[7].

首先根据EN12663-2010标准，按照静强度载荷工况，进行整体有限元分析计算，从得到的结果文件中提取各个工况下焊点模拟梁单元轴向的两个剪切力SFy和SFz，并计算出合成剪切拉力S合.合成剪切拉力可由式(3)计算而得：

(3)

再依据BSEN 15085-3-2007标准或AWS C1.1M/ C1.1-2012所提供的电阻点焊钢接头的最低剪切拉力表，按照不同金属强度、不同板厚和焊核直径所对应的最低剪切拉力进行对比评价.

(2)疲劳强度评估

目前点焊疲劳评估方法很多，有载荷-寿命法、结构应力法、公称应力公式法、剪切应力法、应力强度因子法等[11].

工程上进行不锈钢点焊车焊点疲劳强度评估时，通常用疲劳工况下焊点的剪切力变化范围与疲劳许用门槛值(来自工厂提供的疲劳数据)来评价焊点疲劳强度[7].

首先根据EN12663-2010标准，按照焊点疲劳强度载荷工况，进行整体有限元分析计算，然后按照1.2节方法提取并计算焊点梁单元上的剪切拉力，并与给出的焊点疲劳强度数据或实验数据进行比较，计算得到的合成剪切拉力也必须小于疲劳数据及实验数据中对应的最低剪切拉力，才能满足设计要求.

2 焊点强度快速评估系统的功能

2.1 系统功能介绍

该系统依托MATLAB平台，与HYPERMESH，ANSYS以及ACCESS实现数据交互.主要实现三方面功能：前处理阶段能够通过对HYPERMESH的二次开发实现焊点组别命名的规范化和物理属性的快速定义功能，方便之后的焊点力提取和评估；求解阶段通过APDL脚本能够实现后台求解和对结果文件中焊点剪切力的快速提取、计算以及其排序功能；后处理阶段具有批量化评估和快速查询，以及多样化、可视化的结果输出的功能.主要功能如图3所示.

2.2 主要功能开发

(1)材料和组别的快速定义功能

该功能主要使用TCL/TK语言中的create进行界面的建立以及创建模型树，variable进行定义属性类别，set用于赋值.通过上述命令组合建造的界面可以规范化的命名组别及材料，也可以高效地进行材料属性定义.具体流程见图4.

图3 平台功能示意图

图4 前处理流程图

图5 求解流程图

(2)焊点力快速提取功能

该功能通过脚本定义，在系统中驱动ANSYS后台求解，直接访问结果文件提取焊点力更加方便高效.只需使用APDL语言中cmsel命令和etab命令提前定义需要提取剪切力的焊点组别名称，用get命令来提取单元号以及对应剪切力的大小，并通过do循环计算合成剪切力，再依据大小进行排序，最后通过cfopen命令来进行数据的导出.具体流程如图5所示.

(3)焊点强度数据库建立功能

为了方便查询和评估，基于ACCESS开发了焊点强度数据库并将其通过数据接口链入焊点强度快速评估系统中，可直接调用.但由于板材厚度和焊核直径的不确定性，有时会出现标准和实验数据无法判断的情况，借由此开发了插值系统，使得点焊评价分析更加方便快捷.

图6 后处理流程图

(4)焊点强度快速分析计算功能

该功能主要依靠MATLAB强大的数据处理能力以及生成结果可视化和多样化的优点.依靠数据处理进行快速分析保留不合格单元，确定最大焊点力位置，并通过柱状图清晰地将不合格焊点力的大小显示出来，待所有焊点分析结束后，将柱状图和Excel格式的结果导出并可以显示不合格焊点位置，具体流程图如图6所示.

2.3 核心技能

该系统的核心技能在于如何通过MATLAB来将所有软件串联起来，来减少在多个软件间频繁的操作.

借助MATLAB强大的数据接口，可以直接通过uigetfile命令打开结果文件以及模型文件，system命令后台操作ANSYS脚本直接提取焊点力.uiputfile输出所需要的柱状图以及文本文档.通过上述命令基本上可以实现焊点强度评估的流程，操作简单，便捷.其具体形式见图7所示.

图7 核心技术功能框图

3 应用案例

以某一焊点不锈钢点焊车头车为例，进行焊点强度的快速评估.

3.1 分析模型

该不锈钢点焊车由车顶、侧墙、底架和端墙，司机室5部分组成，材料为S301L系列不锈钢，车体上的板梁部件主要采用壳单元shell181模拟，焊点通过梁单元beam188模拟，车载设备采用质量单元mass21形式施加，并通过刚性元连接到相应位置.

在系统中使用开发好的界面进行焊点组别的规范命名及属性快速赋予，材料属性的快速定义.具体操作界面见图8.

离散后的单元总数为2 752 415个，节点总数为2 050 531个，其中模拟焊点的梁单元有41 902个，有限元模型如图9所示.

图8 属性及材料快速赋予界面

图9 车体有限元模型

3.2 评估过程

(1)静强度评估

选取最危险工况(车钩中心线纵向压缩1 200 kN与车辆最大超员垂向载荷组合)进行分析，以侧墙蒙皮与横梁相连的焊点组为例，该焊点组所连接的板厚为1.5 mm+2 mm，板材材料为SUS301L-DLT，其屈服强度为345 MPa..

根据英国标准BS EN15085-3:2007进行焊点静强度评价，如表2所示，评价时选取1.5 mm板厚，焊核直径6.0 mm， 抗拉强度在≤360范围的剪切力7.1 kN进行评估，评估结果界面如图10所示.

表2 静强度评估标准

图10 强度评估界面

考虑到不同板厚条件，如果板厚为1.3 mm，未在表2中找到，可以利用插值系统进行插值，如图11所示，得到最低剪切拉力为6.14 kN，可进行相应的焊点评估.

图11 插值系统

(2)疲劳强度评估

选取车体垂向弯曲疲劳工况(±0.15g*AW2)质量载荷进行分析，选择底架横梁与波纹板连接的焊点组，板厚组成为3 mm+0.6 mm.将模型导入快速评估系统，疲劳评估数据参照工厂给定的实验数据分析，结果如图9所示.

3.3 评估结果

(1)静强度评估结果

经过系统评估后可以得到不合格焊点的具体的数据(图12(a))、柱状图(图12(a))及不合格焊点位置(图12(b)).不合格位置在一位端第二扇门侧墙蒙皮与横梁连接处.

(a)Excel结果及图表输出

(b)不合格焊点位置显示图12 静强度计算评估结果

(2)疲劳强度评估结果

经过系统评估后可以得到不合格焊点的具体的数据(图13(a))、柱状图(图13(a))及不合格焊点具体位置(图13(b)，不合格位置在一位端牵引梁与枕梁上盖板连接处，以及一位端底架横梁与波纹板连接处.

(a)Excel结果及图表输出

(b)不合格焊点位置显示图13 疲劳强度计算评估结果

3.4 快速评估系统与传统评估方法对比

以此不锈钢点焊车为例，使用快速评估系统和传统方法进行焊点评估的对比，可以得出各主要功能的耗时情况，具体数据见表3所示.

表3 快速评估系统与传统方法对比

从表3中可以看出，传统方法的前处理阶段的焊点属性和命名，焊点剪切力的提取和排序以及焊点强度的评估花费了共计4.5 h,而采用快速评估系统后只需花费70 min,节省了大约75%.而且该系统还具备传统方法所没有的结果输出及位置显示功能，由此证明了该系统的便捷和高效性.

4 结论

(1)通过MATLAB建立的系统将ANSYS，HYPERMESH，ACCESS等软件串联起来实现了从模型中焊点的分组、规范化命名，到求解提取焊点力，再到焊点强度评定的自动化和一体化；

(2)通过实例计算，以某不锈钢点焊车为例使用焊点快速评估系统分别对其焊点进行静强度和疲劳强度评估，并将结果以三种形式展示出来；

(3)对比使用快速评估系统和传统方法进行点焊强度评估，发现焊点强度计算与评估时间大大减少，并且可以给出传统方法无法自动生成的数据表格、柱状图以及不合格位置；

(4)从评估系统得出的不合格结果可以为后续焊点优化分析提供理论基础.