一种汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测方法、装置及设备

本发明涉及焊接数值仿真，具体而言，涉及一种汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测方法、装置及设备。

背景技术：

1、在计算机辅助设计与制造领域中，复杂型材的绿色焊接、高效加工及可靠性设计对于汽车工业、航空航天和国防军工等高科技、高附加值领域转型升级至关重要。然而，由于焊接结构具有冶金不完善性、力学非均质性和几何不连续性等特征，其焊核和热影响区的材料组织变化及力学性能，导致复杂焊接结构的实际模型与计算模型存在巨大差异，传统的焊接结构模型难以适用于工业设计及数值仿真等过程，复杂焊接结构的疲劳裂纹扩展分析及寿命预测技术仍是制约焊接领域发展的关键技术瓶颈。

2、为了对焊接结构进行准确的疲劳失效性能评价及寿命预测，国内外专家学者对不同荷载条件下焊接结构的疲劳失效分析做了大量研究，焊接疲劳性能评价方法主要包括名义应力法、热点应力法、缺口应力法、结构应力法和断裂力学法等。其中大多数方法是倾向于经验统计公式的分析方法，疲劳评估依赖统计实验得到的疲劳强度数据，焊接结构的计算模型和网格划分对其疲劳分析结果敏感性大，在工程应用中具有一定的局限性。基于断裂力学理论的疲劳分析方法考虑焊接结构的内部缺陷、局部应力集中和塑形变形，能够实现对疲劳裂纹的萌生、扩展及最终失效过程进行更为准确的描述，是一种精确可靠的理论评价方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测方法、装置及设备，能够实现复杂焊接结构的强度、刚度、疲劳寿命分析及优化设计等数值计算。

2、为达到上述目的，本发明实施例提供了一种汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测方法、装置及设备，通过构建几何数据获取模块、计算参数设定模块、网格自动划分模块、单元数值积分模块、疲劳寿命预测模块、数据存储更新模块，实现复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测，包括以下步骤：

3、（1）获取汽车车身复杂焊接结构模型，设计焊接结构的cae与cad一体化方案；

4、（2）设定复杂焊接结构模型的疲劳寿命分析参数，建立汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析的计算模型；

5、（3）自动识别焊接结构模型中是否含有微裂纹扩展失效（低载荷）、焊核拔出失效（中等载荷）和熔核界面断裂（高载荷）等焊接疲劳缺陷；

6、（4）根据复杂焊接结构模型的几何特征，建立基于特征识别及无需几何修复的全自动非结构网格划分方法；

7、（5）构建考虑断裂力学基本解性质的奇异积分及近奇异积分方案，实现薄型焊接结构的高精度奇异积分及近奇异积分；

8、（6）基于对偶边界积分方程的高精度焊接结构疲劳断裂分析，构建不同载荷模式下的焊接结构疲劳寿命预测模型。

9、优选地，步骤（1）包括以下子步骤：

10、（1.1）根据不同类型焊接结构的特征及力学性能计算要求，合理布局并对汽车车身复杂薄壁焊接结构实体建模系统进行设计；

11、（1.2）基于焊接结构中母材、焊核和热影响区等区域材料的非均质性，考虑焊接结构的真实形状和几何尺寸，将焊接接头视为外裂纹进行精细化建模；

12、（1.3）建立直接基于完整实体焊接结构的计算模型，避免对焊接结构在几何上进行抽象和简化，真实模拟母材与焊缝之间的连接关系；

13、（1.4）基于cad软件开发平台设计一个独立的核心几何数据模块，不修改原始几何模型，统一几何模型和计算模型，真正实现cae与cad的无缝集成。

14、优选地，步骤（2）包括以下子步骤：

15、（2.1）由于焊接结构具有冶金不完善性、力学非均质性和几何不连续性等特征，焊接结构的实际模型与计算模型存在巨大差异，通过设定焊接结构模型预处理参数处理焊接结构模型中的极短边、极窄面等几何瑕疵；

16、（2.2）根据所述汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析要求，在疲劳裂纹尖端设定自适应网格划分参数，构建考虑细小特征的自适应网格划分模型，实现对疲劳裂纹扩展路径的精确表征和局部自适应网格加密；

17、（2.3）在分析薄型结构时存在大量的奇异积分、超奇异积分和近奇异积分，通过设定数值积分计算参数，构建一种通用的薄壁点焊结构疲劳断裂分析积分方案，精确高效地计算所述焊接结构相关断裂力学性能参数。

18、优选地，步骤（3）包括以下子步骤：

19、（3.1）构建无需几何修复的复杂薄壁焊接结构的全自动网格划分方法，自动识别极短边、极窄面、非连续光滑边界等实体任意细小特征，自动判别并标记裂纹面和焊缝边缘线（裂纹前沿）等几何特征；

20、（3.2）建立基于二叉树数据结构的全自动非结构网格划分方法，根据网格划分预处理阶段自动判别的几何噪声可实现灵活多样的网格自动划分，网格划分无需处理悬挂点以保证网格节点的连续性，网格划分更加自由灵活；

21、（3.3）构建基于特征识别的全自动网格划分方法，对于形状简单的几何面，通过特征识别自动判断并标记面的几何特征，然后选用简单适用且高质量的网格生成方法（如映射法、扫掠法、推进波前法和delaunay方法等）。若无法找到合适的简单网格划分方法，则采用基于二叉树的非结构网格生成方法进行网格划分；

22、（3.4）对于裂纹扩展问题，研究网格再生成技术及并行网格生成方法以实现对动态变化区域的局部网格单元重构。

23、优选地，步骤（4）包括以下子步骤：

24、（4.1）构建考虑断裂力学基本解性质的奇异积分方案，采用自适应单元细分方法及局部极坐标近似展开为核心的奇异积分方法，解决复杂薄壁焊接结构的奇异积分难题；

25、（4.2）建立考虑断裂力学基本解性质的近奇异积分方案，采用基于二叉树数据结构的自适应单元细分方法对积分单元进行合理分块，解决复杂焊接结构的近奇异积分难题；

26、（4.3）结合非线性变换方法、局部极坐标变换方法、保形变换方法和自适应单元细分方法等，构建一种通用的薄壁焊接结构疲劳断裂分析积分方案，精确高效地计算任意核函数、任意单元形状、任意源点位置的各类弱、强、超近奇异积分。

27、优选地，步骤（5）包括以下子步骤：

28、（5.1）基于完整实体点焊结构的高精度dibfm理论建立计算模型，将点焊接头视为外裂纹进行模拟，利用对偶边界积分方程理论分别在裂纹上、下表面配置不同的边界积分方程，解决裂纹面上位移的不确定性问题。

29、在裂纹的上表面配置位移边界积分方程，对于光滑边界，边界积分方程的表达式为：

30、  (1)

31、其中，y-是裂纹下表面与源点y+重合的点；x是场点； u j和 t j分别表示位移和面力分量；u*ij和 t* ij为开尔文基本解。0.5 u i(y-)是额外的自由项，这是与普通位移边界积分方程的区别。

32、为了克服矩阵病态及裂纹面上位移不确定性等困难，在裂纹下表面配置应力边界积分方程

33、   (2)

34、其中， n i(y-)是裂纹下表面源节点处的外法向分量； u * ijk和 t * ijk为对应的基本解。0.5 t j(y+)是额外的自由项，与普通应力边界积分方程不同。

35、利用基本解的以下性质：

36、                        (3)

37、                      (4)

38、可推导出间断位移法的对偶边界积分方程为：

39、         (5)

40、              (6)

41、其中δ u k表示张开位移，δ u k= u k + - u k - ，

42、（5.2）构建有效的疲劳裂纹扩展方向预测模型，对于焊接结构的疲劳断裂分析，最大周向应力准则较为直观，该理论认为裂纹垂直于最大环向拉应力方向扩展，其有效性和可靠性已被大量试验所证实，根据最大周向应力准则确定裂纹扩展方向，实现汽车车身复杂薄壁焊接结构疲劳裂纹扩展模拟。

43、根据最大周向应力准则的裂纹扩展方向确定条件：当σγθ=0时，周向应力σθ取得最大值，ki,kii,kiii分别为i型、ii型和iii型应力强度因子，

44、                              (7)

45、由此可得裂纹扩展开裂角的计算表达式为

46、                                (8)

47、（5.3）构建基于裂纹扩展的点焊结构疲劳预测模型，基于paris公式计算裂纹扩展速率，定量描述裂纹扩展速率与应力强度因子幅值δ k变化关系，精确预测汽车车身复杂薄壁焊接结构的疲劳寿命。

48、根据paris扩展速率计算理论可知，在疲劳裂纹稳定扩展阶段，与δ k在对数坐标下成线性关系。paris公式的具体表达式为

49、                                          (9)

50、式中 n为疲劳循环次数， c和 m为与材料、载荷频率及加载方式等相关的特定参数，可由疲劳裂纹扩展速率试验测得；δ k eq为等效应力强度因子幅度，即。

51、由paris公式可知，对于给定载荷循环次数δ n，则每次扩展的步长δ a为

52、                                        (10)

53、对于给定扩展步长δ a，则每次扩展的载荷循环次数δ n为

54、                                             (11)

55、则汽车车身复杂薄壁焊接结构的剩余疲劳寿命计算公式为

56、                                 (12)

57、式中a0与acr分别表示初始裂纹尺寸与临界裂纹尺寸。

58、优选地，步骤（6）包括以下子步骤：

59、（6.1）一种焊接结构疲劳裂纹扩展分析电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测方法；

60、（6.2）一种计算机可读存储介质，其上存储有汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测的计算机程序，并显示复杂焊接结构疲劳断裂分析的计算结果，其特征在于，该程序被处理器执行时如上述所述的焊接结构疲劳断裂仿真方法。

61、相对于现有技术，针对汽车车身复杂薄壁焊接结构的疲劳失效及裂纹扩展难以预测和控制的问题，本发明所示实施例提供了一种汽车车身复杂焊接结构疲劳裂纹扩展分析及寿命预测方法、装置及设备，基于对偶边界积分方程断裂力学基本理论对复杂薄壁焊接结构的疲劳断裂及裂纹扩展过程进行深入研究，考虑焊接结构的真实形状和几何尺寸，将焊接接头视为外裂纹进行应力分析，建立直接基于完整实体焊接结构的计算模型，解决了大型汽车车身复杂薄壁焊接结构的高精度疲劳断裂分析的难题，使得工程师和研发人员可以在焊接制造过程中开展相关仿真工作，降低生产制造及研发成本。