ACM 焊點類型對有限元結(jié)構(gòu)剛度的影響分析

劉玉敏，陳桂華

（漯河職業(yè)技術(shù)學院，河南 漯河 462000）

汽車車身包含大量的焊點，在白車身結(jié)構(gòu)有限元分析過程中，焊點的模擬精度關(guān)系著白車身及其零部件強度分析和疲勞分析的精度。 受計算機軟硬件條件的制約，目前在白車身結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真分析過程中，仍無法建出精細的焊點模型[1]，Liang Jianyong 等人的研究表明，ACM2 焊點模型在白車身模態(tài)分析中，有限元分析結(jié)果的誤差可控制在8%以內(nèi)[2]。 本文針對ACM（RBE3-HEXARBE3）這種焊點類型，對簡單的薄壁梁結(jié)構(gòu)進行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析計算，找出焊點的最優(yōu)模擬方式，為結(jié)構(gòu)有限元仿真分析中焊點的模擬方法提供參考。

1 焊點類型介紹

圖1 RBE3-HEXA-RBE3 焊點單元的表征示意圖

ACM 焊點即 Area contact model 焊點類型，如圖 1 所示，此種焊點單元類型會在兩個焊接面之間生成一個六面體實體單元，然后該六面體實體單元的8 個節(jié)點通過REB2 單元與焊接面進行連接。 載荷通過RBE3 單元分配到被焊接單元的節(jié)點上，分配的大小由RBE2 單元的權(quán)重系數(shù)決定。 如圖1 所示，對于六面體單元的每一個節(jié)點均位于殼單元平面內(nèi)，節(jié)點的載荷和位移相應(yīng)的由殼單元通過RBE3 單元加權(quán)平均獲得，從而實現(xiàn)兩層殼單元之間的載荷和位移的傳遞[3]。

2 有限元分析對比

2.1 仿真分析模型的建立

為了對比及計算方便，采用如圖2 所示的簡單梁結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)模型，對不同的焊點類型進行模擬驗證[4]。 該梁單元由兩個厚度均為1mm 的鈑金焊接而成，將該梁單元網(wǎng)格大小平均設(shè)置為8mm，在其兩側(cè)分別各均布10 個焊點。 該梁長為380mm、寬為87mm、高為35.5mm，焊點間距均為35mm，均勻分布，共20 個焊點單元，最終建好的模型共含有1 426 個網(wǎng)格單元和1 426 個節(jié)點。

圖2 梁單元模型

RBE2 單元是剛性單元，具有極高的剛度，為了對比不同焊點單元類型間的剛度，以RBE2 單元為基準，將（ACM）剛度仿真分析值比RBE2 單元剛度仿真分析值，以此結(jié)果來評判這種焊點類型的剛度值。

具體評價標準： 評價標準=（ACM 剛度仿真分析值/RBE2 單元剛度仿真分析值）%。

2.2 工況及評價指標的確定

2.2.1 扭轉(zhuǎn)工況的確定

如圖3 所示，約束端面A 的1-6 個方向的全部自由度，將端面B 處的節(jié)點用RBE2 抓取，在抓取的MPC 主節(jié)點處施加大小為2 000N·m 的扭矩，中間截面C 不做任何約束，讀取該梁單元的最大旋轉(zhuǎn)角度。

圖3 工況示意圖

2.2.2 彎曲工況的確定

約束端面A 和端面B 的1-6 個方向的全部自由度，將中間截面C 處的節(jié)點用RBE2 單元抓取，在RBE2 主節(jié)點處施加-Z 向100N 的力，讀取RBE2 主節(jié)點的Z 向位移。

2.3 有限元分析結(jié)果

2.3.1 扭轉(zhuǎn)工況分析結(jié)果

按照扭轉(zhuǎn)分析工況的設(shè)置，在ABAQUS 中對不同工況下的模型進行計算，最終得出分析結(jié)果。 根據(jù)圖4 的分析結(jié)果，得出在ACM 焊點及RBE2 下該梁結(jié)構(gòu)一端的扭轉(zhuǎn)角度分別為 0.011 9°、0.010 6°。 由此計算出不同焊點的扭轉(zhuǎn)剛度具體如表1 所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況下分析結(jié)果

表1 不同焊點扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

由表1 可知，ACM 焊點下梁模型的扭轉(zhuǎn)剛度為RBE2單元類型下梁單元扭轉(zhuǎn)剛度的89.08%。

2.3.2 彎曲工況分析結(jié)果

彎曲工況下分析結(jié)果如圖5 所示。 對ACM 焊點及RBE2 單元下梁結(jié)構(gòu)模型進行有限元分析，提取中間截面C 處RBE2 主節(jié)點在Z 方向上的位移，位移大小分別為0.047 7mm 和0.0443mm。 因此，計算出梁的彎曲剛度如表2 所示。

圖5 彎曲工況下分析結(jié)果

表2 不同焊點彎曲剛度分析結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果，ACM 焊點下梁模型的彎曲剛度約為RBE2 單元下剛度的92.87%。

3 總結(jié)

1） 彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度方面，ACM 焊點的剛度大于CBAR 焊點的剛度，CBAR 焊點的剛度大于CWELD 的剛度。

2）有限元仿真分析過程中，不同焊點類型對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度影響差異較大，應(yīng)該綜合考慮焊點的建模形式、建模時間以及焊點的模擬精度等因素，最終結(jié)合相應(yīng)的試驗結(jié)果來決定焊點的模擬形式。