CBAR焊點類型對有限元結構剛度分析的影響

劉玉敏 陳桂華

（漯河職業技術學院，河南漯河462000）

0 引言

電阻點焊是家用車各個鈑金件之間主要的連接形式，一輛家用轎車或SUV車型包含3 000～6 000個焊點，這其中大部分焊點主要集中在白車身部分。因此，在對家用車進行有限元分析的過程中，焊點的建模形式、建模時間以及焊點的模擬精度就顯得極為重要[1]。

在白車身結構有限元分析過程中，焊點的模擬仿真精度影響著白車身及其零部件強度分析和疲勞分析的精度。受計算機軟硬件條件的限制，目前在白車身結構疲勞耐久仿真分析過程中，仍無法搭建出精細的焊點模型[2]。本文針對CBAR焊點類型，對簡單的薄壁梁結構進行彎曲剛度和扭轉剛度分析計算，判斷其對該結構彎曲剛度和扭轉剛度的影響。

1 焊點類型介紹

CBAR焊點模型指的是在有限元分析模型中，用CBAR等桿單元來表征焊點的一種單元類型，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單元類型是將焊核投影到兩個焊接平面上，然后再用梁單元將焊接平面上的投影點連接起來，通過梁單元傳遞焊接平面之間的載荷。在有限元模擬仿真計算過程中，通過軟件計算得出焊點周圍及焊接平面處的應力值。

圖1 CBAR單元的表征示意圖

2 有限元分析對比

2.1 仿真分析模型的建立

為了方便對比及計算，本文采用如圖2所示的簡單梁結構作為基礎模型[4]，對不同的焊點類型進行模擬驗證。該梁單元由兩個厚度均為1 mm的鈑金焊接而成，將該梁單元網格大小平均設置為8 mm，在其兩側分別各均布10個焊點。該梁長度為380 mm，寬為87 mm，高為35.5 mm，焊點間距均為35 mm，共20個焊點單元，均勻分布，最終搭建好的模型共含有1 426個網格單元和1 426個節點。

RBE2單元是剛性單元，具有極高的剛度，為判斷CBAR焊點對結構剛度的影響，本文以RBE2單元為基準，將CBAR剛度仿真分析值與RBE2單元剛度仿真分析值的比值結果作為評判3種焊點類型剛度值的標準。

圖2 梁單元模型

2.2 工況及評價指標的確定

2.2.1 扭轉工況的確定

扭轉工況如圖3所示，約束端面A的6個方向的全部自由度，將端面B處的節點用RBE2單元抓取，在抓取的RBE2主節點處施加大小為2 000 Nm的扭矩，中間截面C不做任何約束，讀取該梁單元的最大旋轉角度。

圖3 扭轉工況示意圖

2.2.2 彎曲工況的確定

約束端面A和端面B的6個方向的全部自由度，將中間截面C處的節點用RBE2單元抓取，在RBE2主節點處沿Z軸負方向施加100 N的力，讀取RBE2主節點的Z向位移。

2.3 有限元分析結果

2.3.1 扭轉工況分析結果

按照扭轉分析工況的設置，在ABAQUS中對兩種工況下的模型進行計算，最終得出分析結果。根據圖4所示的CBAR焊點在扭轉工況下的分析結果可知，在CBAR焊點及RBE2焊點下，梁單元一端的轉動角度分別為0.382°、0.106°。由此計算出兩種焊點的扭轉剛度，分析結果如表1所示。

圖4 CBAR焊點在扭轉工況下的分析結果

表1 不同焊點扭轉剛度分析結果

由表1可知，CBAR焊點的剛度相當于RBE2單元剛度的73.10%。

2.3.2 彎曲工況分析結果

CBAR焊點在彎曲工況下的分析結果如圖5 所示，對CBAR焊點模型進行有限元分析，提取中間截面C處CBAR主節點在Z軸負方向的位移，位移大小為0.006 mm，經計算得到RBE2焊點彎曲工況下位移大小為0.044 3 mm。不同焊點單元下梁的彎曲剛度如表2所示。

圖5 CBAR焊點在彎曲工況下的分析結果

表2 不同焊點單元下梁的彎曲剛度分析結果

由表2可知，CBAR焊點在彎曲工況下的剛度值約為RBE2單元剛度值的87.20%。

3 結語

根據以上分析結果可知，在彎曲剛度和扭轉剛度方面，CBAR焊點的剛度略低于RBE2焊點的剛度，應結合具體的試驗對CBAR焊點的剛度繼續進行研究。