CWELD焊点类型有限元结构刚度分析

刘玉敏，承姿辛

（漯河职业技术学院，河南 漯河 462000）

关键字：CWELD焊点；弯曲刚度；扭转刚度

引言

电阻点焊是将电流通过焊件表面接触处产生的电阻热作为热源，将焊件局部区域加热使其融化，同时对焊件加压进行焊接的方式。电阻点焊具有焊接时不需要填充金属，生产效率高，焊接处变形小，易于实现自动化等优点，被广泛应用于汽车行业中。常见的电阻点焊有缝焊、凸焊、点焊、对焊等。

MSC.NASTRAN是一个具有高度可靠性、功能齐全、适用面极高的结构分析软件，常用其进行白车身结构疲劳耐久分析，NASTRAN CWELD是一种比较常见的焊点模拟方式。本文针对这种焊点类型，对简单的薄壁梁结构进行弯曲刚度和扭转刚度分析计算，找出焊点的最优模拟方式，为结构有限元仿真分析中焊点的模拟方法提供参考。

1 焊点类型介绍

CWELD焊点：在2000年MSC.Software公司的技术大会上，FANG提出了一种CWELD焊点模型[1]，该模型主要由一个特殊的剪弹性梁单元构成，该单元有12个自由度及2个节点。每个节点的6个自由度与对应的每个壳单元每个节点的3个平动自由度按照Krichoff壳理论的约束进行联结[2-3]，将上下两层单元联结在一起，共形成12个约束方程。此外CWELD焊点类型单元不需要上下两个焊接面的网格节点对齐，共存在三种连接形式：“点-面”连接、“点-点”连接、“面-面”连接，其中“面-面”连接是被应用最广泛的连接形式，因此选取这种比较常见的焊点连接方式进行研究。本文基于NASTRAN分析软件中的NASTRAN CWELD焊点类型进行研究，将焊点连接形式设置为Eleset，该焊点的具体表征形式如图1所示。

图1 NASTRAN CWELD焊点单元的表征示意图

2 有限元分析对比

2.1 仿真分析模型的建立

为了对比及计算方便，采用如图2所示的简单梁结构作为基础模型，对不同的焊点类型进行模拟验证[4]。该梁单元由两个厚度均为1mm的钣金焊接而成，将该梁单元网格大小平均设置为8mm，在其两侧分别各均布10个焊点。该梁长为380mm，宽为87mm，高为35.5mm，焊点间距均为35mm，均匀分布，共20个焊点单元，最终建好的模型共含有1426个网格单元和1426个节点。

图2 梁单元模型

我们知道RB2单元是刚性单元，具有极高的刚度，为了对比不同焊点单元类型间的刚度，我们以RB2单元为基准，将CWELD刚度仿真分析值比RB2单元刚度仿真分析值，以此结果来评判这三种焊点类型的刚度值。

具体评价标准如下：

评价标准=（CWELD刚度仿真分析值/RB2单元刚度仿真分析值）%

2.2 工况机评价指标的确定

2.2.1 扭转工况的确定

如图3所示，约束端面A的1-6个方向的全部自由度，将端面B处的节点用RBE2抓取，在抓取的MPC主节点处施加大小为2000N.m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 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1-6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主节点处施加-Z向100N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NASTRAN中对不同工况下的模型进行计算，最终得出分析结果。得出在CWELD焊点及RBE2下，0.376°、0.106°。由此计算出CWELD焊点的扭转刚度具体如表1所示。

图4 CWELD焊点的扭转角度

表1 不同焊点扭转刚度分析结果

由表1可知，RBE2单元下梁单元的扭转刚度大于CWELD下的扭转刚度。

2.3.2 弯曲工况分析结果

如图所示，上述弯曲工况，对三种焊点模型分别进行有限元分析，提取中间截面C处RBE2主节点在Z向上的位移，CWELD焊点类型下梁单元中间节点处的位移大小为0.0576mm，RBE2焊点弯曲工况的分析结果为0.0443mm，梁的弯曲刚度具体如表2所示。

图5 弯曲工况下分析结果

表2 不同焊点扭转刚度分析结果

根据以上分析结果，CWELD焊点的弯曲刚度远低于RBE2焊点的刚度。

3 总结

根据以上分析结果，在弯曲刚度和扭转刚度方面，CWELD焊点的刚度较低，远低于RBE2焊点的刚度，后期应结合具体地试验对CWELD焊点的刚度继续进行研究。