基于子模型技术的四种点焊结构建模方法研究

崔志军　伍志丹　王雪琦　蒋婷

摘 要：针对目前常见的4种焊点模拟单元，本文运用子模型技术选取某不锈钢地铁车的12个参考点为研究对象，分别建立4种焊点有限元模型。对比4种单元的建模过程及12个参考点在AW3+纵向压缩800Kn静强度工况下的仿真应力水平和试验应力水平，结果表明：ACM单元的模拟平均误差为4.06%，模拟精度最高，但该单元结构复杂，整车建模时网格规模较大，适合关键部件的精细研究;Rbe2单元的模拟平均误差为9.89%，其本质相当于刚度无穷大的杆，模拟精度最低;Beam单元和Cweld单元建模都较简单，模拟平均误差分别为6.55%和7.87%，整车建模时可使用beam单元。

关键词：焊点模拟 有限元 子模型技术 单元

不锈钢具有良好的抗腐蚀能力和优秀的焊接性能，且由它制造出来的车体更加美观，因此在轨道车辆上得到了大量的推广和应用。基于不锈钢的热物理性能和焊接性能，目前各不锈钢板件间最常用的连接方式就是电阻点焊，它作为不锈钢点焊车体最主要的承力点，在车体上分布大约有3万～5万个。如此规模庞大的点焊数量，如何在有限元仿真软件准确模拟其传力特性，对于轨道车辆前期的制造和设计起着至关重要的作用。

目前各个科研单位和教学机构对焊点的有限元仿真进行了大量的研究。大连交通大学谢素明等人提出了位移耦合的建模思想来对焊点进行模拟，并验证了其有效性[1];西南交通大学姚亚涛等人通过模态分析对9种焊点模拟方式进行研究[2];广州汽车技术中心的邬晴晖通过刚度分析和模态分析对5种焊点模拟方式进行研究[3]。

本文选取某不锈钢地铁车上的12个参考点为研究对象，建立4种焊点模拟单元的有限元模型，通过分析对比12个参考点的仿真应力水平和试验应力水平，更直观的得出4种常用焊点模拟单元的仿真精度。

1 子模型的应用与选取

由于本文所研究的12个参考点位于车体的一个窗户上，为了减小计算工作量，本文运用基于圣维南原理的子模型技术[4]将该窗户从车体上截取出来，截取的子模型如图1所示，12个应变片位置如图2所示。

2 常见4种焊点模拟单元介绍

2.1 Beam单元

Beam单元是一种常见的较为简单的梁单元，其可以承受拉伸、压缩、扭转以及弯曲等载荷[5]。该单元连接两个节点，并为每个节点提供6个自由度方向的刚度，由于其比较符合焊点的实际受力特点，因此常用来模拟焊点[6]。

Beam单元通过Hypermesh软件中的ANSYS模块来进行创建，创建时需先根据CAD焊点图在抽取的中面上创建硬点，此后在绘制网格时，硬点处会自动生成网格节点，从而建立梁单元主从节点一一对应的关系。梁单元的截面属性代表焊点直径，梁单元的材料属性则代表焊点材料。Beam单元焊点模拟如图3所示。

2.2 Rbe2單元

Rbe2作为刚性单元可以为1个主节点和n个从节点之间建立刚性连接[7]。本文则采用Rbe2在一个主节点、一个从节点的连接部位建立刚性单元，把集中力、力矩等载荷通过该单元分配到从节点上。该单元从节点不能独立变形，其变形必须与主节点保持一致，这就相当于用刚度无穷大的杆、梁把主节点和各个从节点连接起来，以此来模拟两个部件之间的点焊。

该单元可以通过Hypermesh软件中的Nastran模块来进行创建，创建方法跟beam单元类似，但因其为刚性元不需要为其赋予属性。Rbe2单元焊点模拟如图4所示。

2.3 Cweld单元

Cweld单元是一种具有特定的剪切柔性的梁单元[8]。该单元模拟焊点的原理如图5所示。

每个Cweld单元将GA、GB定义为焊点中心，但并非真实的节点，GA-GB的距离为焊核的长度;同时GA、GB两点会为点焊连接件表面定义4个辅助点：GAH1～4、GBH1～4，这四个辅助点围成的四边形面积就是焊点的截面积。Cweld单元可实现节点对节点的连接（GA-GB/ALIGN）、节点与单元的连接（GS/GRIDID）、单元与单元的连接（GA-GB/ELEMID）。

本文使用的Cweld（GA-GB/ALIGN）可以通过Hypermesh软件中的Nastran模块来进行创建，创建方法跟beam单元类似，但在生成Cweld单元的同时，系统会自动生成HM-PWELD属性组，需为其赋予焊点单元的实际属性。Cweld单元焊点模拟如图6所示。

2.4 ACM单元

ACM单元是一种组合单元焊点模型，由六面体单元HEXA和柔性单元Rbe3构成。上下两层板之间建立一个六面体模拟焊核，六面体各个节点通过Rbe3单元与上下两层板四个节点连接[2]。焊核的载荷通过Rbe3单元传递到壳单元，载荷大小由Rbe3权重决定，一般该权重取1。

本文使用的ACM（equivalenced-（T1+T2）/2）可以通过Hypermesh软件中的Nastran模块来进行创建，首先在绘制完成有限元模型中根据CAD图纸确定焊点的位置，接着通过1D模块中的connector-spot来进行创建，在生成ACM单元的同时，系统自动会生成HEXA单元、Rbe3单元的mat和prop组，而Rbe3作为柔性元，不需要设置属性，只需为ACM单元中soild块赋予焊点属性即可。ACM单元焊点模拟如图7所示。

3 模拟结果与试验结果对比分析

3.1 对比分析方法

为了对比上述四种焊点模型下有限元计算结果的准确性，本文选取车体在AW3+车钩压缩800kn这个典型工况作为计算工况。该工况下载荷边界条件如表1所示。

分析对比过程如下：

（1）在Hypermesh中的ANSYS模块中为车体焊点部位创建Beam单元，将全部模型导出为beam.cdb，放入到ansys中进行计算得到beam.rst结果文件;在Nastran模块中分别为车体焊点创建Rbe2、Cweld、ACM单元，并为窗户的各个部件重新添加属性，输出分别包含输出Rbe2、Cweld、ACM单元的rbe2.bdf、cweld.bdf、acm.bdf文件，放入到nastran中进行计算，得到Hyperview中可识别的rbe2.op2、cweld.op2、acm.op2结果文件，4种焊点模拟单元的建模及分析过程如图8所示;

（2）本文选取的12个参考点为车体试验中车窗部位12个应变片的位置，为此可在有限元模型中选取与12个应变片位置最为接近的12个节点来记录仿真应力结果。本车试验已由长客公司完成，12个应变片位置的试验应力结果从试验报告中查找得来。

3.2 结果对比分析

提取4种有限元模型中12个参考点的仿真应力结果与试验结果进行对比，对比结果见表2～表5。应力单位为MPa。

为了更直观的对比4种焊点模拟单元的仿真精度，分别计算各个单元模拟平均误差，结果如图9所示。

将四种焊点模拟单元下的计算应力值与试验应力值进行对比分析，并结合图9所示数据可知，4种模拟单元的平均误差都较小，模拟精度从高到低依次是：ACM单元→Beam单元→Cweld单元→Rbe2单元。

4 结语

本文以某不锈钢点焊地铁车为基础，运用子模型技术将包含12个参考点的窗户有限元模型截取出来，分别建立4种常用焊点有限元模型。结合4种焊点模拟单元特点及12个参考点的仿真应力水平与试验应力水平，进行对比得出如下结论：

（1）4种焊点模拟单元中，Rbe2单元由于不需要赋属性，因此建模最简单;ACM单元在建模过程中会同时生成HEXA单元和Rbe3单元，由于HEXA单元需赋属性，且对焊点周围网格也有较高的要求，因此其建模最复杂;而Beam单元和Cweld单元在建模时只生成一种需要赋属性的1D单元，建模较ACM单元简单。（2）ACM单元模拟精度虽高，但由于该单元建模复杂，且运用到整车建模时，会加大整车网格的规模，从而对硬件和时间提出挑战，而Beam单元与Cweld单元建模过程类似，简单、快捷，但Beam单元精度较高。因此综合考虑，在对不锈钢点焊车进行整车建模时，可选用Beam单元来模拟焊点，而对关键部件进行精细分析时，可选用ACM单元来模拟焊点。

基金项目：广西高校中青年教师科研基础项目（2020KY44023）。

参考文献：

[1]谢素明，隋明东，李晓峰，兆文忠. 不锈钢点焊结构车体FEA建模方法[J].大连交通大学学报，2007，3（28）：18-21.

[2]颜亞涛，肖守讷，朱涛.基于不同点焊模拟的帽型梁仿真与试验对比[J].铁道机车与车辆，2006，11（11）：15-19.

[3]邬晴晖.车身点焊结构有限元分析方法研究[J].机电工程技术，2005，6（34）：60-62.

[4]张彩霞，万朝燕，谢素明. 基于子结构技术的货车车体有限元分析[J].试验研究，2009，1（47）：11-13.

[5]吴雪逖.自动化搬运系统的关键技术研发与应用[D].东华大学，2012.

[6]姚亚涛.不锈钢点焊车体结构仿真关键技术研究[D].西南交通大学，2016.

[7]陈明华.基于有限元和多体动力学某船推进系统振动特性仿真分析[D].江苏科技大学，2013.

[8]戴江梁，吴长德，谢小平等.点焊连接的有限元建模方法研究及案例应用[J].现代制造工程，2014（9）：74-80.