ACM 焊点类型对有限元结构刚度的影响分析

刘玉敏，陈桂华

（漯河职业技术学院，河南 漯河 462000）

汽车车身包含大量的焊点，在白车身结构有限元分析过程中，焊点的模拟精度关系着白车身及其零部件强度分析和疲劳分析的精度。 受计算机软硬件条件的制约，目前在白车身结构疲劳耐久仿真分析过程中，仍无法建出精细的焊点模型[1]，Liang Jianyong 等人的研究表明，ACM2 焊点模型在白车身模态分析中，有限元分析结果的误差可控制在8%以内[2]。 本文针对ACM（RBE3-HEXARBE3）这种焊点类型，对简单的薄壁梁结构进行弯曲刚度和扭转刚度分析计算，找出焊点的最优模拟方式，为结构有限元仿真分析中焊点的模拟方法提供参考。

1 焊点类型介绍

图1 RBE3-HEXA-RBE3 焊点单元的表征示意图

ACM 焊点即 Area contact model 焊点类型，如图 1 所示，此种焊点单元类型会在两个焊接面之间生成一个六面体实体单元，然后该六面体实体单元的8 个节点通过REB2 单元与焊接面进行连接。 载荷通过RBE3 单元分配到被焊接单元的节点上，分配的大小由RBE2 单元的权重系数决定。 如图1 所示，对于六面体单元的每一个节点均位于壳单元平面内，节点的载荷和位移相应的由壳单元通过RBE3 单元加权平均获得，从而实现两层壳单元之间的载荷和位移的传递[3]。

2 有限元分析对比

2.1 仿真分析模型的建立

为了对比及计算方便，采用如图2 所示的简单梁结构作为基础模型，对不同的焊点类型进行模拟验证[4]。 该梁单元由两个厚度均为1mm 的钣金焊接而成，将该梁单元网格大小平均设置为8mm，在其两侧分别各均布10 个焊点。 该梁长为380mm、宽为87mm、高为35.5mm，焊点间距均为35mm，均匀分布，共20 个焊点单元，最终建好的模型共含有1 426 个网格单元和1 426 个节点。

图2 梁单元模型

RBE2 单元是刚性单元，具有极高的刚度，为了对比不同焊点单元类型间的刚度，以RBE2 单元为基准，将（ACM）刚度仿真分析值比RBE2 单元刚度仿真分析值，以此结果来评判这种焊点类型的刚度值。

具体评价标准： 评价标准=（ACM 刚度仿真分析值/RBE2 单元刚度仿真分析值）%。

2.2 工况及评价指标的确定

2.2.1 扭转工况的确定

如图3 所示，约束端面A 的1-6 个方向的全部自由度，将端面B 处的节点用RBE2 抓取，在抓取的MPC 主节点处施加大小为2 000N·m 的扭矩，中间截面C 不做任何约束，读取该梁单元的最大旋转角度。

图3 工况示意图

2.2.2 弯曲工况的确定

约束端面A 和端面B 的1-6 个方向的全部自由度，将中间截面C 处的节点用RBE2 单元抓取，在RBE2 主节点处施加-Z 向100N 的力，读取RBE2 主节点的Z 向位移。

2.3 有限元分析结果

2.3.1 扭转工况分析结果

按照扭转分析工况的设置，在ABAQUS 中对不同工况下的模型进行计算，最终得出分析结果。 根据图4 的分析结果，得出在ACM 焊点及RBE2 下该梁结构一端的扭转角度分别为 0.011 9°、0.010 6°。 由此计算出不同焊点的扭转刚度具体如表1 所示。

图4 扭转工况下分析结果

表1 不同焊点扭转刚度分析结果

由表1 可知，ACM 焊点下梁模型的扭转刚度为RBE2单元类型下梁单元扭转刚度的89.08%。

2.3.2 弯曲工况分析结果

弯曲工况下分析结果如图5 所示。 对ACM 焊点及RBE2 单元下梁结构模型进行有限元分析，提取中间截面C 处RBE2 主节点在Z 方向上的位移，位移大小分别为0.047 7mm 和0.0443mm。 因此，计算出梁的弯曲刚度如表2 所示。

图5 弯曲工况下分析结果

表2 不同焊点弯曲刚度分析结果

根据以上分析结果，ACM 焊点下梁模型的弯曲刚度约为RBE2 单元下刚度的92.87%。

3 总结

1） 弯曲刚度和扭转刚度方面，ACM 焊点的刚度大于CBAR 焊点的刚度，CBAR 焊点的刚度大于CWELD 的刚度。

2）有限元仿真分析过程中，不同焊点类型对结构的扭转刚度及弯曲刚度影响差异较大，应该综合考虑焊点的建模形式、建模时间以及焊点的模拟精度等因素，最终结合相应的试验结果来决定焊点的模拟形式。