CWELD焊點(diǎn)類(lèi)型有限元結(jié)構(gòu)剛度分析

劉玉敏，承姿辛

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462000）

關(guān)鍵字：CWELD焊點(diǎn)；彎曲剛度；扭轉(zhuǎn)剛度

引言

電阻點(diǎn)焊是將電流通過(guò)焊件表面接觸處產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，將焊件局部區(qū)域加熱使其融化，同時(shí)對(duì)焊件加壓進(jìn)行焊接的方式。電阻點(diǎn)焊具有焊接時(shí)不需要填充金屬，生產(chǎn)效率高，焊接處變形小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)中。常見(jiàn)的電阻點(diǎn)焊有縫焊、凸焊、點(diǎn)焊、對(duì)焊等。

MSC.NASTRAN是一個(gè)具有高度可靠性、功能齊全、適用面極高的結(jié)構(gòu)分析軟件，常用其進(jìn)行白車(chē)身結(jié)構(gòu)疲勞耐久分析，NASTRAN CWELD是一種比較常見(jiàn)的焊點(diǎn)模擬方式。本文針對(duì)這種焊點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)簡(jiǎn)單的薄壁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析計(jì)算，找出焊點(diǎn)的最優(yōu)模擬方式，為結(jié)構(gòu)有限元仿真分析中焊點(diǎn)的模擬方法提供參考。

1 焊點(diǎn)類(lèi)型介紹

CWELD焊點(diǎn)：在2000年MSC.Software公司的技術(shù)大會(huì)上，F(xiàn)ANG提出了一種CWELD焊點(diǎn)模型[1]，該模型主要由一個(gè)特殊的剪彈性梁?jiǎn)卧獦?gòu)成，該單元有12個(gè)自由度及2個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度與對(duì)應(yīng)的每個(gè)殼單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度按照Krichoff殼理論的約束進(jìn)行聯(lián)結(jié)[2-3]，將上下兩層單元聯(lián)結(jié)在一起，共形成12個(gè)約束方程。此外CWELD焊點(diǎn)類(lèi)型單元不需要上下兩個(gè)焊接面的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，共存在三種連接形式：“點(diǎn)-面”連接、“點(diǎn)-點(diǎn)”連接、“面-面”連接，其中“面-面”連接是被應(yīng)用最廣泛的連接形式，因此選取這種比較常見(jiàn)的焊點(diǎn)連接方式進(jìn)行研究。本文基于NASTRAN分析軟件中的NASTRAN CWELD焊點(diǎn)類(lèi)型進(jìn)行研究，將焊點(diǎn)連接形式設(shè)置為Eleset，該焊點(diǎn)的具體表征形式如圖1所示。

圖1 NASTRAN CWELD焊點(diǎn)單元的表征示意圖

2 有限元分析對(duì)比

2.1 仿真分析模型的建立

為了對(duì)比及計(jì)算方便，采用如圖2所示的簡(jiǎn)單梁結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)模型，對(duì)不同的焊點(diǎn)類(lèi)型進(jìn)行模擬驗(yàn)證[4]。該梁?jiǎn)卧蓛蓚€(gè)厚度均為1mm的鈑金焊接而成，將該梁?jiǎn)卧W(wǎng)格大小平均設(shè)置為8mm，在其兩側(cè)分別各均布10個(gè)焊點(diǎn)。該梁長(zhǎng)為380mm，寬為87mm，高為35.5mm，焊點(diǎn)間距均為35mm，均勻分布，共20個(gè)焊點(diǎn)單元，最終建好的模型共含有1426個(gè)網(wǎng)格單元和1426個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

我們知道RB2單元是剛性單元，具有極高的剛度，為了對(duì)比不同焊點(diǎn)單元類(lèi)型間的剛度，我們以RB2單元為基準(zhǔn)，將CWELD剛度仿真分析值比RB2單元?jiǎng)偠确抡娣治鲋担源私Y(jié)果來(lái)評(píng)判這三種焊點(diǎn)類(lèi)型的剛度值。

具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)=（CWELD剛度仿真分析值/RB2單元?jiǎng)偠确抡娣治鲋担?

2.2 工況機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gè)方向的全部自由度，將端面B處的節(jié)點(diǎn)用RBE2抓取，在抓取的MPC主節(jié)點(diǎn)處施加大小為2000N.m的扭矩，中間截面C不做任何約束，讀取該梁?jiǎn)卧淖畲笮D(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(gè)方向的全部自由度，將中間截面C處的節(jié)點(diǎn)用RBE2單元抓取，在RBE2主節(jié)點(diǎn)處施加-Z向100N的力，讀取RBE2主節(jié)點(diǎn)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NASTRAN中對(duì)不同工況下的模型進(jìn)行計(jì)算，最終得出分析結(jié)果。得出在CWELD焊點(diǎn)及RBE2下，0.376°、0.106°。由此計(jì)算出CWELD焊點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)剛度具體如表1所示。

圖4 CWELD焊點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角度

表1 不同焊點(diǎn)扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

由表1可知，RBE2單元下梁?jiǎn)卧呐まD(zhuǎn)剛度大于CWELD下的扭轉(zhuǎn)剛度。

2.3.2 彎曲工況分析結(jié)果

如圖所示，上述彎曲工況，對(duì)三種焊點(diǎn)模型分別進(jìn)行有限元分析，提取中間截面C處RBE2主節(jié)點(diǎn)在Z向上的位移，CWELD焊點(diǎn)類(lèi)型下梁?jiǎn)卧虚g節(jié)點(diǎn)處的位移大小為0.0576mm，RBE2焊點(diǎn)彎曲工況的分析結(jié)果為0.0443mm，梁的彎曲剛度具體如表2所示。

圖5 彎曲工況下分析結(jié)果

表2 不同焊點(diǎn)扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果，CWELD焊點(diǎn)的彎曲剛度遠(yuǎn)低于RBE2焊點(diǎn)的剛度。

3 總結(jié)

根據(jù)以上分析結(jié)果，在彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度方面，CWELD焊點(diǎn)的剛度較低，遠(yuǎn)低于RBE2焊點(diǎn)的剛度，后期應(yīng)結(jié)合具體地試驗(yàn)對(duì)CWELD焊點(diǎn)的剛度繼續(xù)進(jìn)行研究。