电阻点焊技术广泛应用于航空、航天、原子能、电子技术、汽车制造等工业部门。点焊工艺的特点决 定了在点焊接头区域易出现各种缺陷和应力集中现象，这些缺陷和应力集中是产生疲劳裂纹并造成 点焊结构破坏的主要原因。由于点焊接头在几何形状上、金属组织上和力学性能上的不连续性，使 点焊接头的力学分析具有一定的难度。以往对点焊结构的安全性能分析主要是采用比较近似的结构 应力分析方法。这种方法对详细分析焊点的问题是不准确的犤１犦。随着无损检测手段的提高及有 限元分析水平的进步，使得对点焊结构进行较为准确的安全评定及寿命分析成为可能。利用ANS YS数值模拟软件，对点焊结构焊点附近局部应力应变状况进行详细分析研究，为点焊结构受力评 价体系和完整性评价体系的建立打下了理论基础［２］。１模型的建立１．１材料模型的建立考虑 弹塑性材料点焊接头拉伸试样力学状况，对材料的真实应力应变关系采用符合线性硬化规律的力学 模型，即，σ＝Eε（σ≤σY）σ＝EεY＋（ε－εY）Et（σ＞σY）式中，σ为应力； σY为屈服应力；ε为应变；εY为屈服时的总应变；E为杨氏模量；Et为屈服后材料的切线模 量。研究表明，在点焊接头附近存在着力学性能不均匀的现象［３］。在不考虑热影响区材料特性 变化带来的影响的情况下，母材和焊核材料参数分别为：母材屈服强度σYB＝１６０MPa；母 材屈服后的切线模量Etb＝２０００MPa；焊核屈服强度σYW＝６００MPa；焊核屈服后 的切线模量Etb'＝１８００MPa；焊核和母材的弹性模量均为Etb″＝２０６０００MP a，泊松比均为μ＝０．２７。１．２力学和计算模型的建立本文研究采用的是点焊接头剪切拉伸 试样，试样的几何尺寸坐标位置及加载位置如图１所示。有限元计算网格采用三维８节点等参单元 ，搭接区和焊点附近网格细分，最小尺寸０．１０mm，网格共有４２０１个单元，９０５７个节 点，计算中假设结构连接完好，结合表面无缺陷存在，不考虑电极压痕。图１点焊接头拉伸试样２ 计算结果及分析图２为剪切拉伸试样在弹塑性材料模型下，根据VonMises屈服准则分析出 的变形和主应力分布示意图。试样变形状况与试验室点焊结构剪切拉伸疲劳试样的变形形状是基本 吻合的。由图２还可看出，焊核附近的应力较大，母材板的贴合面也存在较大应力。（a）试样的 变形状况（b）焊点附近的主应力图２点焊接头拉伸试样的变形和应力（F＝１８．４kN）图３ 为在３种不同受力状况下，母材板贴合面中心线上沿x方向应力分布状况。由图３可以看出，最大 主应力、最大剪应力、x向最大主应力以及y向最大主应力均发生在x＝２．５mm或x＝－２． ５mm附近，即在焊核与母材板的交界面附近。在该处出现了奇异应力变化，这表明该区域是点焊 接头破坏的主要源点之一。（a）VonMises准则下的主应力（b）VonMises准则 下的剪应力（c）x向的主应力（１）０１００２００３００４００５００６００７００应力／M Pa（d）y向的主应力图３点焊接头沿x方向上的应力分布图４为在３种不同受力状况下，母材 板贴合面中心线上沿x方向应变分布规律。由图４可以看出，与应力变化规律相类似，最大主应变 、x向最大主应变、最大弹性应变分量以及最大塑性应变分量出现在x＝２．５mm或x＝－２． ５mm附近，即在焊核与母材板的交界面处。且可以看出随着作用力的增大，该处的应变也出现奇 异增大的现象，说明焊核与母材板的交界面处在达到屈服后应变会迅速增大，在研究中应引起重视 。３结论a．模拟分析试样变形状况与试验室点焊结构剪切拉伸疲劳试样的变形形状是基本吻合的 ，说明利用有限元数值模拟试验分析是可行的。b．计算结果表明，焊核中心的应力比较小，高应 力区主要存在于热影响区内，说明点焊接头热影响区附近是易于产生破坏的主要区域，且应力发展 趋势是从母材贴合面与焊核交界线向外扩展。c．在不考虑两母材板间的间距的情况下，焊核与母 材贴合面的交界线相当于裂纹尖端，其附近存在着明显的应力集中，可以将其看作是一个环形裂纹 来考虑，在实际中也可用断裂力学参量来衡量该区域的应力应变场情况。d．当载荷较小时，塑性 应变占主应变的分量比较小，当进入材料屈服后阶段，塑性应变增加很快。这说明在弹塑性条件下 ，应变可能是衡量点焊材料强度更好的参量。e．在焊核与母材板的交界面处出现奇异应力变化， 这是由该处的结构突变所造成的［４］，应进行详细分析，且仅采用结构应力的分析方法是不够的 ，应将断裂力学方法引入到分析中来。点焊结构应力应变场数值模拟分析$西安科技学院@薛河点 焊;;应力;;应变;;数值模拟采用ANSYS数值模拟软件,对点焊结构焊点附近的应力应变 状况进行了详细的分析。分析结果表明,在点焊接头中应力和应变的分布是不均匀的,焊核中心的 应力比较小,高应力区主要存在于热影响区内,即点焊接头热影响区附近是易于产生破坏的主要区 域,且应力发展趋势是从母材贴合面与焊核交界线向外扩展。模拟分析试样变形状况与试验室点焊结构剪切拉伸疲劳试样的变形形状基本吻合,说明利用有限元数值模拟试验分析是可行的。1焊接学会电阻焊专业委员会.电阻焊理论与实践,北京:机械工业出版社.1998.
2王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社,2000.
3薛河.汽车点焊结构安全评价方法的研究.江苏理工大学博士后出站报告,2001.
4WhiteMD.TheoreticalAnalysisfortheQuasi-stat icAxialCrushingofTop-hatandDouble-hatThin-w alledSection.InternaationalJournalofMechani calScience,1999,41(2):209～233.江苏省汽车重点实验室开放基 金资助项目(K99042)。Щ岬缱韬缸ㄒ滴被?电阻焊理论与实践,北京:机械工业出版社.1998.
2王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社,2000.
3薛河.汽车点焊结构安全评价方法的研究.江苏理工大学博士后出站报告,2001.
4WhiteMD.TheoreticalAnalysisfortheQuasi-stat icAxialCrushingofTop-hatandDouble-hatThin-w alledSection.InternaationalJournalofMechani calScience,1999,41(2):209～233.江苏省汽车重点实验室开放基金资助项目(K99042)。
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