拼焊式乘用車(chē)后橋焊縫不同模擬方式的有限元模型對(duì)比

尹輝俊，王 雨，姜美姣

YIN Hui-jun,WANG Yu,JIANG Mei-jiao

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，柳州 545006）

0 引言

拼焊式乘用車(chē)后橋常以焊接方式連接，有限元法已廣泛應(yīng)用于后橋設(shè)計(jì)，焊接后橋的有限元模型建模技術(shù)是保證計(jì)算結(jié)果正確且有較高精度的關(guān)鍵[1]。

本文以某乘用車(chē)后橋作研究對(duì)像，運(yùn)用HyperWorks軟件，分別以rigid單元和ACM單元仿真焊縫連接，建立拼焊式后橋有限元模型，進(jìn)行自由模態(tài)分析和靜力分析，以后軸電測(cè)試驗(yàn)為依據(jù)，探索出計(jì)算精度與建模效率更高的有限元建模方式。

1 有限元中焊縫的模擬

1.1 有限元中焊縫的研究

對(duì)焊接產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析的時(shí)，如何模擬焊縫是工程師們關(guān)心的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前，大致分為兩類(lèi)：1）是針對(duì)焊縫本身的研究。利用熱力學(xué)原理仿真焊縫，建立有限元模型，分析焊縫及焊縫附件位置特性，主要致力于焊接工藝優(yōu)化。2）是認(rèn)為焊縫本身強(qiáng)度比焊接體材料更強(qiáng)，焊縫只起連接作用，在研究由焊接組成的結(jié)構(gòu)時(shí)，忽略焊縫本身的特性，以剛性單元代替焊縫連接焊接體，主要致力于研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及疲勞特性等[2]。這種情況在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中最為常見(jiàn)，也是本文討論的內(nèi)容。

在上述第二種情況的有限元模型中，焊縫通常被簡(jiǎn)化為某種剛性連接方式，主要方式有采用剛性梁?jiǎn)卧抡婧缚p連接和剛性梁?jiǎn)卧c實(shí)體單元組合仿真焊縫。下面以HyperWorks軟件為前置處理，對(duì)焊縫的不同組成形式進(jìn)行分析。

1.2 焊縫的連接模擬

HyperWorks中焊縫的仿真主要有兩種方式：1）采用2D面板中的rigid單元對(duì)焊縫進(jìn)行模擬；2）利用Area子面板中的 Area Contact Method（ACM）模擬焊縫的連接。前者屬于剛性連接，在圖形中顯示為兩節(jié)點(diǎn)之間的一條線，標(biāo)示為RBE2，如圖1所示。而ACM單元是由一個(gè)處于兩焊接件間垂直與焊接表面的六面體單元通過(guò)RBE2單元分別與兩被焊接件的殼單元連接而成。載荷通過(guò)REB2單元傳遞且不會(huì)增加局部的剛度[3]。其焊接模型如圖2所示。

圖1 RBE2單元

圖2 ACM單元

2 拼焊式后橋有限元模型的建立

在HyperMesh中先對(duì)模型進(jìn)行幾何清理[4]，再以殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用如下兩種方案建立后橋的有限元模型。

方案一：采用rigid單元模擬焊縫連接建立的有限元模型，如圖3（a）所示；方案二：采用ACM單元模擬焊縫連接建立的后橋有限元模型，如圖3（b）所示。

圖3 拼焊式后橋有限元模型的建立

3 后橋的自由模態(tài)分析及對(duì)比

本文采用Lanczos法(蘭索斯法)[6]對(duì)后橋殼體進(jìn)行模態(tài)分析，得到后橋的固有頻率與振型。由于在自由邊界狀態(tài)下，前六階為剛體位移，振型頻率基本為零，其模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

表1 兩種方案模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比表

從上表可以看出，兩種方案模態(tài)分析結(jié)果基本一致，兩種建模方式對(duì)后橋的整體剛度并無(wú)影響。

4 后橋的靜力分析

4.1 邊界條件和加載情況

在車(chē)輪連接點(diǎn)A和B處施加±50mm的強(qiáng)迫位移，用RBE2單元模擬橡膠襯套處的連接，在中間節(jié)點(diǎn)C和D上施加移動(dòng)位移約束，同時(shí)固定彈簧上端E和F點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 后橋整體加載及邊界條件

4.2 靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

以NX.Nastran為求解器，對(duì)后橋進(jìn)行靜力分析，得到后橋的整體應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從上圖可以看出，方案一比方案二的靜力分析結(jié)果偏大。

5 有限元分析結(jié)果與后橋的電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

參考有限元分析結(jié)果，同時(shí)考慮到實(shí)際情況，將測(cè)點(diǎn)布置在扭桿的兩端，中點(diǎn)和1/3處，對(duì)各測(cè)點(diǎn)采用貼應(yīng)變花的方式進(jìn)行電測(cè)試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)的分布情況

所得的測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 后橋的電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比表

從表2可以看出，方案一中的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差都在20%以上，而方案二中除了測(cè)點(diǎn)三，其他測(cè)點(diǎn)的有限元計(jì)算值與測(cè)試結(jié)果誤差均在20%以下，考慮到試驗(yàn)條件的限制以及模型的簡(jiǎn)化等原因，認(rèn)為方案二所采用的計(jì)算模型、邊界條件及載荷模擬等有限元分析方法更有效。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）從建模過(guò)程來(lái)看，方案二比方案一效率較高。因?yàn)椴捎肁CM單元模擬焊縫連接有兩大優(yōu)點(diǎn)：(1)便于批處理有大量焊接的模型；(2)所創(chuàng)建的連接單元與網(wǎng)格不關(guān)聯(lián)，便于修改模型。而采用RBE2單元需要節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，建模工作量很大，在大型焊接件有限元建模中不符合快速建模原則。

2）從模態(tài)和靜力分析結(jié)果來(lái)看，兩種方案模態(tài)分析基本一致，但是方案二的靜力分析結(jié)果更接近試驗(yàn)值。故采用ACM單元模擬焊縫連接的方式是一種更適合焊接結(jié)構(gòu)的高效、實(shí)用的建模方法。

[1] 鄔晴暉.車(chē)身點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)有限元分析方法研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2005,34(3):60-62.

[2] 王國(guó)軍,等. Msc.Fatigue疲勞分析實(shí)例指導(dǎo)教程.機(jī)械工業(yè)出版社2009,1(201).

[3] 李維.Connector在整車(chē)焊接中的應(yīng)用[A].Altair大中國(guó)區(qū)用戶技術(shù)大會(huì)論文集[C].2007.

[4] 劉榮軍,等.有限元建模中的幾何清理問(wèn)題[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(9):145-147.

[5] 張勝蘭,嚴(yán)飛.基于HyperWorks的車(chē)架模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(4):10-11.

[6] 高云凱.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)分析[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:132-133.