CBAR焊点类型对有限元结构刚度分析的影响

刘玉敏 陈桂华

（漯河职业技术学院，河南漯河462000）

0 引言

电阻点焊是家用车各个钣金件之间主要的连接形式，一辆家用轿车或SUV车型包含3 000～6 000个焊点，这其中大部分焊点主要集中在白车身部分。因此，在对家用车进行有限元分析的过程中，焊点的建模形式、建模时间以及焊点的模拟精度就显得极为重要[1]。

在白车身结构有限元分析过程中，焊点的模拟仿真精度影响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限制，目前在白车身结构疲劳耐久仿真分析过程中，仍无法搭建出精细的焊点模型[2]。本文针对CBAR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，判断其对该结构弯曲刚度和扭转刚度的影响。

1 焊点类型介绍

CBAR焊点模型指的是在有限元分析模型中，用CBAR等杆单元来表征焊点的一种单元类型，最初使用于MSC.Software公司旗下的NASTRAN软件中[3]。图1为软件中CBAR单元的表征示意图，由图可知，CBAR单元类型是将焊核投影到两个焊接平面上，然后再用梁单元将焊接平面上的投影点连接起来，通过梁单元传递焊接平面之间的载荷。在有限元模拟仿真计算过程中，通过软件计算得出焊点周围及焊接平面处的应力值。

图1 CBAR单元的表征示意图

2 有限元分析对比

2.1 仿真分析模型的建立

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

RBE2单元是刚性单元，具有极高的刚度，为判断CBAR焊点对结构刚度的影响，本文以RBE2单元为基准，将CBAR刚度仿真分析值与RBE2单元刚度仿真分析值的比值结果作为评判3种焊点类型刚度值的标准。

图2 梁单元模型

2.2 工况及评价指标的确定

2.2.1 扭转工况的确定

扭转工况如图3所示，约束端面A的6个方向的全部自由度，将端面B处的节点用RBE2单元抓取，在抓取的RBE2主节点处施加大小为2 000 Nm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 扭转工况示意图

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主节点处沿Z轴负方向施加100 N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中对两种工况下的模型进行计算，最终得出分析结果。根据图4所示的CBAR焊点在扭转工况下的分析结果可知，在CBAR焊点及RBE2焊点下，梁单元一端的转动角度分别为0.382°、0.106°。由此计算出两种焊点的扭转刚度，分析结果如表1所示。

图4 CBAR焊点在扭转工况下的分析结果

表1 不同焊点扭转刚度分析结果

由表1可知，CBAR焊点的刚度相当于RBE2单元刚度的73.10%。

2.3.2 弯曲工况分析结果

CBAR焊点在弯曲工况下的分析结果如图5 所示，对CBAR焊点模型进行有限元分析，提取中间截面C处CBAR主节点在Z轴负方向的位移，位移大小为0.006 mm，经计算得到RBE2焊点弯曲工况下位移大小为0.044 3 mm。不同焊点单元下梁的弯曲刚度如表2所示。

图5 CBAR焊点在弯曲工况下的分析结果

表2 不同焊点单元下梁的弯曲刚度分析结果

由表2可知，CBAR焊点在弯曲工况下的刚度值约为RBE2单元刚度值的87.20%。

3 结语

根据以上分析结果可知，在弯曲刚度和扭转刚度方面，CBAR焊点的刚度略低于RBE2焊点的刚度，应结合具体的试验对CBAR焊点的刚度继续进行研究。