基于模态分析的白车身有限元模型ACM2焊点单元尺寸研究

摘 要：ACM2模型采用六面体单元来模拟焊核，然后将六面体的8个节点通过RBE3单元与所焊接的面片单元联结，来模拟焊点，但是关于ACM2模型中六面体单元的尺寸大小尚没有统一的标准。为了研究ACM2单元的最佳焊核尺寸和模拟精度，分别对焊核尺寸为6.0 mm、5.32 mm和4.24 mm时的ACM2单元进行探讨。分析了三种典型的钣金拼接结构，对比分析三种焊核尺寸在基础拼接结构模态分析中的分析精度，将这三种焊核尺寸应用于某A级轿车白车身有限元模型，进行模态分析并且与试验结果进行对比研究。结果表明，焊点尺寸设置为5.32 mm时可以获得最精确的分析结果。

关键词：模态分析；有限元；焊点；ACM2模型；单元尺寸

中图分类号：U463.82+1文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.07

在汽车白车身CAE分析中，焊点的模拟是一个值得研究的课题。对于白车身而言，通常有5 000个左右的焊点，焊点的模拟精度对于整个白车身的CAE分析结果产生重要的影响[1]。

关于焊点的模拟，出现了很多模型，如CBAR、CWELD、CFAST、ACM2等[1-2]。ACM2模型既可以应用于Nastran的线性分析，也可以应用于Abaqus进行非线性分析，在汽车行业中应用较广泛。为了提高CAE分析精度，技术人员和科技工作者对于焊点的模拟进行了大量的研究工作。Palmonella等人[3]通过对一个双帽型结构进行模态有限元分析并与试验对比，研究了ACM2模型的各项参数和灵敏度。Fumiyasu Kuratani等人[4]研究了ACM2焊点模型在结构动力学分析中的特性，通过一个焊接板研究了焊核尺寸和面片尺寸对于模态分析的影响，认为焊核尺寸和面片单元尺寸大小对于分析结果有明显影响。Liang Jianyong等人[5]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。但是，这些研究者均没有详细研究ACM2模型焊点尺寸选择的依据，也没有指出最合适的单元尺寸。

本文研究了ACM2模型的基本原理，并结合实际焊核与ACM2中六面体单元的几何以及力学关系，研究了三种单元尺寸，分别为：4.24 mm，5.32 mm和6.0 mm。然后对某A级轿车白车身进行有限元模态分析，焊点采用ACM2模型模拟，单元尺寸分别采用前述三种焊核尺寸，并将分析结果与试验结果对比。最后，确定了在白车身模态分析中的ACM2焊点模型的最佳单元尺寸。

1 ACM2模型基本原理

ACM2焊点模型最早由文献[6]提出。该模型由一个1阶六面体单元模拟焊核，六面体单元的8个节点通过RBE3单元建立多点约束与所焊接的面片单元（即所焊接的两层壳单元）连接。图1是ACM2焊点模型的典型结构。这种焊点模型不需要面片单元的节点对齐，避免了局部网格重新划分的挑战，建模效率较高。

对于六面体单元的每一个节点均位于面片单元平面内，节点的载荷和位移相应地由壳单元通过RBE3单元加权平均获得，从而实现两层面片单元之间的载荷和位移的传递。

3 ACM2焊点模型的评估

汽车白车身由钣金件冲压成型后，主要通过点焊拼接在一起。图3是某轿车白车身的局部示意图，通常整个白车身有三种典型的拼接结构：

（1）“双拼型”结构。以地板的焊接为典型代表，其结构特点为两个平板的对接，在接头处进行点焊焊接。

（2）“双帽型”结构。以A柱、B柱、前纵梁、门槛梁等为典型代表，其特点是两个帽型钣金件对接，在法兰边上焊接。

（3）“单帽型”结构。以中、后纵梁，侧碰加强梁等为典型结构，其特点是一边为帽型，另一边为平板，拼接在一起后，在法兰边上进行焊接。

这三种结构的模态特性对于整个白车身的模态特性有重要的影响。因此，在进行ACM2焊点尺寸对整个白车身的模态特性影响研究之前，先针对这三种典型结构进行研究。

3.1 双拼型结构评估

建立某双拼型结构有限元模型，焊点采用ACM2模型，研究前文所述三种单元尺寸下的结构模态特性，并与试验结果对比。图4为简化后的双拼型结构简图。文献[4]对双拼型薄板结构进行了模态试验研究，这里将参考其试验结果进行对比研究。

将焊点单元尺寸：A14.24 mm，A26.0 mm， A35.32 mm建立的有限元模型分别命名为“Model A1”、“Model A2”和“Model A3”，分别对该结构进行自由模态分析，提取前6阶非刚体模态。分析完成后，将有限元分析结果与试验结果进行对比。

图5为这三种分析模型的分析结果与试验结果的误差。对于这种简单的结构而言，有限元分析与试验的误差均能控制在4%以内。Model A2与Model A3的分析精度基本相同，且均在3%以内，而Model A1的误差最大。图6是对应的模态振型。

3.2 双帽型结构评估

双帽型结构是车身上重要构件的典型结构，比如门槛梁、B柱、前纵梁、顶盖横梁等。为了便于研究，建立了简化的双帽型结构，该简化结构法兰边上各10个焊点，钣金厚度均为1.5 mm，焊点间距为60 mm，如图7所示。

文献[1]对于双帽型结构进行了CWELD、ACM2等五种焊点模型关于面片单元尺寸和灵敏度的相关研究，同时还进行了模态试验，这里参考其试验结果。

模态分析与试验结果的对比如图8所示。从结果来看，Model A1的分析精度最高，Model A2和Model A3的精度比较接近，且Model A3的精度略高于Model A2。从总体来看，除第1阶模态外，其余几阶模态分析值与试验值的误差均在4%之内。图9列出了前6阶模态振型。

3.3 单帽型结构评估

单帽型也是白车身上常见的结构类型，图10是简化后的单帽型结构。与双帽型相比，其下部为平板，上部为一个帽型钣金，在法兰边进行焊接。

对该结构进行有限元模态分析，焊点分别采用前述的三种尺寸。文献[7]对于单帽型结构进行了模态试验研究，这里参考其试验结果。图11为仿真结果与试验结果的误差对比。

从图11的数据分析，Model A3的分析精度最高，与试验结果的误差保持在4%之内。Model A2的误差保持在5%之内，而Model A1的误差仅保持在8%之内。模态振型如图12所示。

4 ACM2模型白车身模态分析

白车身模态分析是汽车NVH开发过程中一个最基本且最重要的分析，只有严格保证了白车身的模态频率达到目标值，才能使后期的整车模态频率不至于过低，从而能保证NVH品质。在开发过程中，仿真的分析精度就显得较为重要。对于白车身模态分析而言，有限元网格划分、材料参数以及焊点的模拟是影响其分析精度的重要因素。对于有限元网格和材料参数而言，是完全可控的，因此焊点的模拟精度成为最重要的影响因素。对于使用较为广泛的ACM2焊点而言，有必要研究其单元尺寸。

对某A级轿车进行有限元自由模态分析，提取其前10阶非刚体模态，同时还进行了白车身模态试验。图13列出了三种模型仿真分析与试验结果误差的对比。

从误差对比来看，ACM2焊点在白车身模态分析中与试验的误差整体控制在4%以内。文献[5]的方法对于焊点精度的评估是有效的，因此采用该方法对三个模型在各阶模态的误差值进行统计学处理，可得Model A1、Model A2和Model A3的整体计算误差水平，见表1。从统计结果可见Model A3的计算精度最高。

图14是白车身前6阶自由模态振型。第1阶模态为整体扭转，第2阶为整体弯曲模态，第3阶为整体二阶扭转，第4阶为整体二阶弯曲模态，第5阶为后地板局部垂向弯曲模态，第6阶为弯扭组合模态。

5 结论

（1）对于双拼型结构，Model A2和Model A3的精度接近。对于双帽型结构，Model A1有最高的分析精度，误差基本可控制在4%之内。而对于单帽型结构，Model A3的分析精度最高，与试验结果的误差保持在4%之内。

（2）对于整个白车身而言，是三种典型结构的复杂组合。通过统计学方法比较，可得Model A3的整体误差最小，具有最高的模拟精度。在白车身模态有限元分析中推荐采用的Model A3焊点尺寸，即为5.32 mm。

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