基于子模型技術(shù)的四種點焊結(jié)構(gòu)建模方法研究

崔志軍　伍志丹　王雪琦　蔣婷

摘 要：針對目前常見的4種焊點模擬單元，本文運用子模型技術(shù)選取某不銹鋼地鐵車的12個參考點為研究對象，分別建立4種焊點有限元模型。對比4種單元的建模過程及12個參考點在AW3+縱向壓縮800Kn靜強度工況下的仿真應(yīng)力水平和試驗應(yīng)力水平，結(jié)果表明：ACM單元的模擬平均誤差為4.06%，模擬精度最高，但該單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整車建模時網(wǎng)格規(guī)模較大，適合關(guān)鍵部件的精細(xì)研究;Rbe2單元的模擬平均誤差為9.89%，其本質(zhì)相當(dāng)于剛度無窮大的桿，模擬精度最低;Beam單元和Cweld單元建模都較簡單，模擬平均誤差分別為6.55%和7.87%，整車建模時可使用beam單元。

關(guān)鍵詞：焊點模擬 有限元 子模型技術(shù) 單元

不銹鋼具有良好的抗腐蝕能力和優(yōu)秀的焊接性能，且由它制造出來的車體更加美觀，因此在軌道車輛上得到了大量的推廣和應(yīng)用。基于不銹鋼的熱物理性能和焊接性能，目前各不銹鋼板件間最常用的連接方式就是電阻點焊，它作為不銹鋼點焊車體最主要的承力點，在車體上分布大約有3萬～5萬個。如此規(guī)模龐大的點焊數(shù)量，如何在有限元仿真軟件準(zhǔn)確模擬其傳力特性，對于軌道車輛前期的制造和設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。

目前各個科研單位和教學(xué)機構(gòu)對焊點的有限元仿真進(jìn)行了大量的研究。大連交通大學(xué)謝素明等人提出了位移耦合的建模思想來對焊點進(jìn)行模擬，并驗證了其有效性[1];西南交通大學(xué)姚亞濤等人通過模態(tài)分析對9種焊點模擬方式進(jìn)行研究[2];廣州汽車技術(shù)中心的鄔晴暉通過剛度分析和模態(tài)分析對5種焊點模擬方式進(jìn)行研究[3]。

本文選取某不銹鋼地鐵車上的12個參考點為研究對象，建立4種焊點模擬單元的有限元模型，通過分析對比12個參考點的仿真應(yīng)力水平和試驗應(yīng)力水平，更直觀的得出4種常用焊點模擬單元的仿真精度。

1 子模型的應(yīng)用與選取

由于本文所研究的12個參考點位于車體的一個窗戶上，為了減小計算工作量，本文運用基于圣維南原理的子模型技術(shù)[4]將該窗戶從車體上截取出來，截取的子模型如圖1所示，12個應(yīng)變片位置如圖2所示。

2 常見4種焊點模擬單元介紹

2.1 Beam單元

Beam單元是一種常見的較為簡單的梁單元，其可以承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)以及彎曲等載荷[5]。該單元連接兩個節(jié)點，并為每個節(jié)點提供6個自由度方向的剛度，由于其比較符合焊點的實際受力特點，因此常用來模擬焊點[6]。

Beam單元通過Hypermesh軟件中的ANSYS模塊來進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建時需先根據(jù)CAD焊點圖在抽取的中面上創(chuàng)建硬點，此后在繪制網(wǎng)格時，硬點處會自動生成網(wǎng)格節(jié)點，從而建立梁單元主從節(jié)點一一對應(yīng)的關(guān)系。梁單元的截面屬性代表焊點直徑，梁單元的材料屬性則代表焊點材料。Beam單元焊點模擬如圖3所示。

2.2 Rbe2單元

Rbe2作為剛性單元可以為1個主節(jié)點和n個從節(jié)點之間建立剛性連接[7]。本文則采用Rbe2在一個主節(jié)點、一個從節(jié)點的連接部位建立剛性單元，把集中力、力矩等載荷通過該單元分配到從節(jié)點上。該單元從節(jié)點不能獨立變形，其變形必須與主節(jié)點保持一致，這就相當(dāng)于用剛度無窮大的桿、梁把主節(jié)點和各個從節(jié)點連接起來，以此來模擬兩個部件之間的點焊。

該單元可以通過Hypermesh軟件中的Nastran模塊來進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建方法跟beam單元類似，但因其為剛性元不需要為其賦予屬性。Rbe2單元焊點模擬如圖4所示。

2.3 Cweld單元

Cweld單元是一種具有特定的剪切柔性的梁單元[8]。該單元模擬焊點的原理如圖5所示。

每個Cweld單元將GA、GB定義為焊點中心，但并非真實的節(jié)點，GA-GB的距離為焊核的長度;同時GA、GB兩點會為點焊連接件表面定義4個輔助點：GAH1～4、GBH1～4，這四個輔助點圍成的四邊形面積就是焊點的截面積。Cweld單元可實現(xiàn)節(jié)點對節(jié)點的連接（GA-GB/ALIGN）、節(jié)點與單元的連接（GS/GRIDID）、單元與單元的連接（GA-GB/ELEMID）。

本文使用的Cweld（GA-GB/ALIGN）可以通過Hypermesh軟件中的Nastran模塊來進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建方法跟beam單元類似，但在生成Cweld單元的同時，系統(tǒng)會自動生成HM-PWELD屬性組，需為其賦予焊點單元的實際屬性。Cweld單元焊點模擬如圖6所示。

2.4 ACM單元

ACM單元是一種組合單元焊點模型，由六面體單元HEXA和柔性單元Rbe3構(gòu)成。上下兩層板之間建立一個六面體模擬焊核，六面體各個節(jié)點通過Rbe3單元與上下兩層板四個節(jié)點連接[2]。焊核的載荷通過Rbe3單元傳遞到殼單元，載荷大小由Rbe3權(quán)重決定，一般該權(quán)重取1。

本文使用的ACM（equivalenced-（T1+T2）/2）可以通過Hypermesh軟件中的Nastran模塊來進(jìn)行創(chuàng)建，首先在繪制完成有限元模型中根據(jù)CAD圖紙確定焊點的位置，接著通過1D模塊中的connector-spot來進(jìn)行創(chuàng)建，在生成ACM單元的同時，系統(tǒng)自動會生成HEXA單元、Rbe3單元的mat和prop組，而Rbe3作為柔性元，不需要設(shè)置屬性，只需為ACM單元中soild塊賦予焊點屬性即可。ACM單元焊點模擬如圖7所示。

3 模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

3.1 對比分析方法

為了對比上述四種焊點模型下有限元計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取車體在AW3+車鉤壓縮800kn這個典型工況作為計算工況。該工況下載荷邊界條件如表1所示。

分析對比過程如下：

（1）在Hypermesh中的ANSYS模塊中為車體焊點部位創(chuàng)建Beam單元，將全部模型導(dǎo)出為beam.cdb，放入到ansys中進(jìn)行計算得到beam.rst結(jié)果文件;在Nastran模塊中分別為車體焊點創(chuàng)建Rbe2、Cweld、ACM單元，并為窗戶的各個部件重新添加屬性，輸出分別包含輸出Rbe2、Cweld、ACM單元的rbe2.bdf、cweld.bdf、acm.bdf文件，放入到nastran中進(jìn)行計算，得到Hyperview中可識別的rbe2.op2、cweld.op2、acm.op2結(jié)果文件，4種焊點模擬單元的建模及分析過程如圖8所示;

（2）本文選取的12個參考點為車體試驗中車窗部位12個應(yīng)變片的位置，為此可在有限元模型中選取與12個應(yīng)變片位置最為接近的12個節(jié)點來記錄仿真應(yīng)力結(jié)果。本車試驗已由長客公司完成，12個應(yīng)變片位置的試驗應(yīng)力結(jié)果從試驗報告中查找得來。

3.2 結(jié)果對比分析

提取4種有限元模型中12個參考點的仿真應(yīng)力結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表2～表5。應(yīng)力單位為MPa。

為了更直觀的對比4種焊點模擬單元的仿真精度，分別計算各個單元模擬平均誤差，結(jié)果如圖9所示。

將四種焊點模擬單元下的計算應(yīng)力值與試驗應(yīng)力值進(jìn)行對比分析，并結(jié)合圖9所示數(shù)據(jù)可知，4種模擬單元的平均誤差都較小，模擬精度從高到低依次是：ACM單元→Beam單元→Cweld單元→Rbe2單元。

4 結(jié)語

本文以某不銹鋼點焊地鐵車為基礎(chǔ)，運用子模型技術(shù)將包含12個參考點的窗戶有限元模型截取出來，分別建立4種常用焊點有限元模型。結(jié)合4種焊點模擬單元特點及12個參考點的仿真應(yīng)力水平與試驗應(yīng)力水平，進(jìn)行對比得出如下結(jié)論：

（1）4種焊點模擬單元中，Rbe2單元由于不需要賦屬性，因此建模最簡單;ACM單元在建模過程中會同時生成HEXA單元和Rbe3單元，由于HEXA單元需賦屬性，且對焊點周圍網(wǎng)格也有較高的要求，因此其建模最復(fù)雜;而Beam單元和Cweld單元在建模時只生成一種需要賦屬性的1D單元，建模較ACM單元簡單。（2）ACM單元模擬精度雖高，但由于該單元建模復(fù)雜，且運用到整車建模時，會加大整車網(wǎng)格的規(guī)模，從而對硬件和時間提出挑戰(zhàn)，而Beam單元與Cweld單元建模過程類似，簡單、快捷，但Beam單元精度較高。因此綜合考慮，在對不銹鋼點焊車進(jìn)行整車建模時，可選用Beam單元來模擬焊點，而對關(guān)鍵部件進(jìn)行精細(xì)分析時，可選用ACM單元來模擬焊點。

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)項目（2020KY44023）。

參考文獻(xiàn)：

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