拼焊式乘用車后橋焊縫不同模擬方式的有限元模型對比

尹輝俊，王 雨，姜美姣

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

（廣西科技大學 機械工程學院，柳州 545006）

0 引言

拼焊式乘用車后橋常以焊接方式連接，有限元法已廣泛應用于后橋設計，焊接后橋的有限元模型建模技術是保證計算結果正確且有較高精度的關鍵[1]。

本文以某乘用車后橋作研究對像，運用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，進行自由模態分析和靜力分析，以后軸電測試驗為依據，探索出計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

對焊接產品進行有限元分析的時，如何模擬焊縫是工程師們關心的一個關鍵問題。目前，大致分為兩類：1）是針對焊縫本身的研究。利用熱力學原理仿真焊縫，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化。2）是認為焊縫本身強度比焊接體材料更強，焊縫只起連接作用，在研究由焊接組成的結構時，忽略焊縫本身的特性，以剛性單元代替焊縫連接焊接體，主要致力于研究結構的強度、剛度及疲勞特性等[2]。這種情況在結構件設計中最為常見，也是本文討論的內容。

在上述第二種情況的有限元模型中，焊縫通常被簡化為某種剛性連接方式，主要方式有采用剛性梁單元仿真焊縫連接和剛性梁單元與實體單元組合仿真焊縫。下面以HyperWorks軟件為前置處理，對焊縫的不同組成形式進行分析。

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單元對焊縫進行模擬；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點之間的一條線，標示為RBE2，如圖1所示。而ACM單元是由一個處于兩焊接件間垂直與焊接表面的六面體單元通過RBE2單元分別與兩被焊接件的殼單元連接而成。載荷通過REB2單元傳遞且不會增加局部的剛度[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中先對模型進行幾何清理[4]，再以殼單元進行網格劃分，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 后橋的自由模態分析及對比

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

表1 兩種方案模態分析結果對比表

從上表可以看出，兩種方案模態分析結果基本一致，兩種建模方式對后橋的整體剛度并無影響。

4 后橋的靜力分析

4.1 邊界條件和加載情況

在車輪連接點A和B處施加±50mm的強迫位移，用RBE2單元模擬橡膠襯套處的連接，在中間節點C和D上施加移動位移約束，同時固定彈簧上端E和F點，如圖4所示。

圖4 后橋整體加載及邊界條件

4.2 靜應力計算結果

以NX.Nastran為求解器，對后橋進行靜力分析，得到后橋的整體應力云圖如圖5所示。

圖5 靜應力計算結果

從上圖可以看出，方案一比方案二的靜力分析結果偏大。

5 有限元分析結果與后橋的電測試驗結果對比

參考有限元分析結果，同時考慮到實際情況，將測點布置在扭桿的兩端，中點和1/3處，對各測點采用貼應變花的方式進行電測試驗，測點分布如圖6所示。

圖6 測點的分布情況

所得的測點的應力結果與有限元分析結果對比如表2所示。

表2 后橋的電測試驗結果與有限元分析結果對比表

從表2可以看出，方案一中的計算結果與試驗值的誤差都在20%以上，而方案二中除了測點三，其他測點的有限元計算值與測試結果誤差均在20%以下，考慮到試驗條件的限制以及模型的簡化等原因，認為方案二所采用的計算模型、邊界條件及載荷模擬等有限元分析方法更有效。

6 結束語

1）從建模過程來看，方案二比方案一效率較高。因為采用ACM單元模擬焊縫連接有兩大優點：(1)便于批處理有大量焊接的模型；(2)所創建的連接單元與網格不關聯，便于修改模型。而采用RBE2單元需要節點一一對應，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）從模態和靜力分析結果來看，兩種方案模態分析基本一致，但是方案二的靜力分析結果更接近試驗值。故采用ACM單元模擬焊縫連接的方式是一種更適合焊接結構的高效、實用的建模方法。

[1] 鄔晴暉.車身點焊結構有限元分析方法研究[J].機電工程技術,2005,34(3):60-62.

[2] 王國軍,等. Msc.Fatigue疲勞分析實例指導教程.機械工業出版社2009,1(201).

[3] 李維.Connector在整車焊接中的應用[A].Altair大中國區用戶技術大會論文集[C].2007.

[4] 劉榮軍,等.有限元建模中的幾何清理問題[J].機械設計與制造,2005(9):145-147.

[5] 張勝蘭,嚴飛.基于HyperWorks的車架模態分析[J].機械設計與制造,2005(4):10-11.

[6] 高云凱.汽車車身結構分析[M].北京:北京理工大學出版社,2006:132-133.