CBAR焊點(diǎn)類(lèi)型對(duì)有限元結(jié)構(gòu)剛度分析的影響

劉玉敏 陳桂華

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南漯河462000）

0 引言

電阻點(diǎn)焊是家用車(chē)各個(gè)鈑金件之間主要的連接形式，一輛家用轎車(chē)或SUV車(chē)型包含3 000～6 000個(gè)焊點(diǎn)，這其中大部分焊點(diǎn)主要集中在白車(chē)身部分。因此，在對(duì)家用車(chē)進(jìn)行有限元分析的過(guò)程中，焊點(diǎn)的建模形式、建模時(shí)間以及焊點(diǎn)的模擬精度就顯得極為重要[1]。

在白車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程中，焊點(diǎn)的模擬仿真精度影響著白車(chē)身及其零部件強(qiáng)度分析和疲勞分析的精度。受計(jì)算機(jī)軟硬件條件的限制，目前在白車(chē)身結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真分析過(guò)程中，仍無(wú)法搭建出精細(xì)的焊點(diǎn)模型[2]。本文針對(duì)CBAR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，判斷其對(duì)該結(jié)構(gòu)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響。

1 焊點(diǎn)類(lèi)型介紹

CBAR焊點(diǎn)模型指的是在有限元分析模型中，用CBAR等桿單元來(lái)表征焊點(diǎn)的一種單元類(lèi)型，最初使用于MSC.Software公司旗下的NASTRAN軟件中[3]。圖1為軟件中CBAR單元的表征示意圖，由圖可知，CBAR單元類(lèi)型是將焊核投影到兩個(gè)焊接平面上，然后再用梁?jiǎn)卧獙⒑附悠矫嫔系耐队包c(diǎn)連接起來(lái)，通過(guò)梁?jiǎn)卧獋鬟f焊接平面之間的載荷。在有限元模擬仿真計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)軟件計(jì)算得出焊點(diǎn)周?chē)昂附悠矫嫣幍膽?yīng)力值。

圖1 CBAR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

為了方便對(duì)比及計(jì)算，本文采用如圖2所示的簡(jiǎn)單梁結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)模型[4]，對(duì)不同的焊點(diǎn)類(lèi)型進(jìn)行模擬驗(yàn)證。該梁?jiǎn)卧蓛蓚€(gè)厚度均為1 mm的鈑金焊接而成，將該梁?jiǎn)卧W(wǎng)格大小平均設(shè)置為8 mm，在其兩側(cè)分別各均布10個(gè)焊點(diǎn)。該梁長(zhǎng)度為380 mm，寬為87 mm，高為35.5 mm，焊點(diǎn)間距均為35 mm，共20個(gè)焊點(diǎn)單元，均勻分布，最終搭建好的模型共含有1 426個(gè)網(wǎng)格單元和1 426個(gè)節(jié)點(diǎn)。

RBE2單元是剛性單元，具有極高的剛度，為判斷CBAR焊點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，本文以RBE2單元為基準(zhǔn)，將CBAR剛度仿真分析值與RBE2單元?jiǎng)偠确抡娣治鲋档谋戎到Y(jié)果作為評(píng)判3種焊點(diǎn)類(lèi)型剛度值的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

2.2 工況及評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

2.2.1 扭轉(zhuǎn)工況的確定

扭轉(zhuǎn)工況如圖3所示，約束端面A的6個(gè)方向的全部自由度，將端面B處的節(jié)點(diǎn)用RBE2單元抓取，在抓取的RBE2主節(jié)點(diǎn)處施加大小為2 000 Nm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 扭轉(zhuǎn)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)處沿Z軸負(fù)方向施加100 N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ABAQUS中對(duì)兩種工況下的模型進(jìn)行計(jì)算，最終得出分析結(jié)果。根據(jù)圖4所示的CBAR焊點(diǎn)在扭轉(zhuǎn)工況下的分析結(jié)果可知，在CBAR焊點(diǎn)及RBE2焊點(diǎn)下，梁?jiǎn)卧欢说霓D(zhuǎn)動(dòng)角度分別為0.382°、0.106°。由此計(jì)算出兩種焊點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)剛度，分析結(jié)果如表1所示。

圖4 CBAR焊點(diǎn)在扭轉(zhuǎn)工況下的分析結(jié)果

表1 不同焊點(diǎn)扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

由表1可知，CBAR焊點(diǎn)的剛度相當(dāng)于RBE2單元?jiǎng)偠鹊?3.10%。

2.3.2 彎曲工況分析結(jié)果

CBAR焊點(diǎn)在彎曲工況下的分析結(jié)果如圖5 所示，對(duì)CBAR焊點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析，提取中間截面C處CBAR主節(jié)點(diǎn)在Z軸負(fù)方向的位移，位移大小為0.006 mm，經(jīng)計(jì)算得到RBE2焊點(diǎn)彎曲工況下位移大小為0.044 3 mm。不同焊點(diǎn)單元下梁的彎曲剛度如表2所示。

圖5 CBAR焊點(diǎn)在彎曲工況下的分析結(jié)果

表2 不同焊點(diǎn)單元下梁的彎曲剛度分析結(jié)果

由表2可知，CBAR焊點(diǎn)在彎曲工況下的剛度值約為RBE2單元?jiǎng)偠戎档?7.20%。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，在彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度方面，CBAR焊點(diǎn)的剛度略低于RBE2焊點(diǎn)的剛度，應(yīng)結(jié)合具體的試驗(yàn)對(duì)CBAR焊點(diǎn)的剛度繼續(xù)進(jìn)行研究。