车身点焊连接有限元模拟方法研究.pdf

2008年 (第 30卷 )第 9期汽 　 车 　 工 　 程Automotive Engineering 2008 (Vol. 30) No. 92008182车 身 点 焊 连 接 有 限 元 模 拟 方 法 研 究 33 国 家 863计 划 项 目 (2006AA110102)资 助 原 稿 收 到 日 期 为 2007年 11月 20日 ,修 改 稿 收 到 日 期 为 2008年 1月 28日 高 书 娜 ,邓 兆 祥 ,胡 玉 梅(重 庆 大 学 机 械 传 动 国 家 重 点 实 验 室 ,重 庆 　 400030)[摘 要 ]　 通 过 焊 接 钢 板 的 实 验 模 态 与 分 析 模 态 的 对 比 分 析 ,讨 论 了 3种 焊 点 有 限 元 模 型 的 模 拟 精 度 及 建 模 时间 建 立 了 某 型 轿 车 和 微 型 客 车 的 车 身 有 限 元 模 型 ,进 行 了 轿 车 白 车 身 分 析 模 态 与 实 验 模 态 的 对 比 分 析 ,以 及 微 型客 车 整 车 强 度 、 实 车 破 坏 情 况 分 析 ,进 一 步 讨 论 了 焊 点 模 型 的 模 拟 精 度 。

结 果 表 明 ,单 个 梁 单 元 可 用 于 模 拟 车 身 模型 中 的 点 焊 连 接 ,为 车 身 的 结 构 分 析 及 设 计 提 供 了 有 力 支 持 关 键 词 :焊 点 ;有 限 元 分 析 ;模 态 分 析 ;强 度 分 析A Study on the Finite Element Modeling for Spot2welds of Vehicle BodyGao Shuna, D eng Zhaox iang & Hu Y um e iChongqing U niversity, The S tate Key Laboratory of M echanical Transm ission, Chongqing　 400030[ Abstract] 　 Based on the analysis on experimental modes and analytical modes of spot2welded steel p late,the modeling time and accuracy of three finite element models of spot welds are compared. Then the finite elementmodels for a car body and a m ini2bus body are built, and the comparative analysis between the analytical modes andthe experimental modes of the car body2in2white, and that between strength analysis result and the real failure stateof m ini2bus are carried out, with the modeling accuracy of spotweld models further discussed. The results show thatsingle beam element can be used to simulate the spot weld in the finite element model of vehicle body, which offersa help to the structure analysis and design of vehicle body.Keywords: spot welds; f in ite elem en t ana lysis; m oda l ana lysis; strength ana lysis前 言点 焊 结 构 具 有 质 量 轻 、 静 强 度 高 、 可 靠 性 好 、 性能 稳 定 和 易 于 实 现 自 动 化 等 优 点 ,在 汽 车 工 业 中 被广 泛 地 采 用 ,是 车 身 结 构 大 量 金 属 板 件 之 间 的 主 要连 接 方 式 。

采 用 有 限 元 方 法 进 行 车 身 结 构 分 析 及 设计 时 ,车 身 金 属 板 件 可 用 具 有 薄 膜 及 弯 曲 效 应 的 壳单 元 描 述 ,而 焊 点 本 身 却 难 以 模 拟 对 于 由 大 量 分布 焊 点 连 接 而 成 的 车 身 来 说 ,焊 点 有 限 元 模 型 的 模拟 精 度 和 建 模 时 间 非 常 重 要 ,是 保 证 车 身 计 算 结 果正 确 并 具 有 较 高 精 度 的 关 键 技 术 [ 1 ]在 车 身 分 析 模 型 中 ,可 采 用 主 要 模 拟 焊 点 区 域质 量 和 刚 度 特 性 的 焊 点 模 型 ,其 自 由 度 较 少 ,建 模 时间 也 较 短 [ 2 - 3 ] 首 先 进 行 点 焊 钢 板 的 模 态 实 验 ,参照 实 验 结 果 分 析 几 种 典 型 焊 点 有 限 元 模 型 的 模 拟 精度 及 建 模 时 间 ;然 后 采 用 2种 焊 点 模 型 建 立 某 型 轿车 及 微 型 客 车 的 车 身 有 限 元 模 型 ,分 别 进 行 模 态 分析 和 强 度 分 析 ,并 与 样 车 实 验 结 果 进 行 对 比 ,进 一 步分 析 焊 点 模 型 的 模 拟 精 度 。

1　 焊 点 模 拟 方 法 分 析111　 点 焊 钢 板 的 实 验 模 态典 型 车 身 结 构 上 的 焊 点 形 状 近 似 直 径 为 4～6mm的 圆 柱 体 ,间 距 在 30～ 60mm之 间 ,并 以 40mm左 右 居 多 ,主 要 为 搭 接 点 焊 ,单 排 布 置 ,承 受 剪 力 或拉 力 选 取 两 块 相 同 尺 寸 的 钢 板 以 45mm的 间 距 搭· 812　　 · 汽 　 车 　 工 　 程 2008年 (第 30卷 )第 9期接 点 焊 连 接 ,几 何 尺 寸 见 图 1图 1　 点 焊 钢 板实 验 仪 器 主 要 有 :激 振 器 、 传 感 器 、 电 荷 放 大 器 、数 据 采 集 系 统 等 钢 板 的 实 验 模 态 结 果 见 表 1,振型 见 图 2,其 中 纵 向 弯 曲 指 焊 接 钢 板 弯 曲 模 态 的 节线 垂 直 于 焊 点 所 在 直 线 ,横 向 弯 曲 指 焊 接 钢 板 弯 曲模 态 的 节 线 平 行 于 焊 点 所 在 直 线 表 1　 实 验 模 态 频 率阶 数 固 有 频 率 /Hz 阻 尼 比 /% 固 有 振 型1 16164 1125 1阶 扭 转2 26142 1101 纵 向 1阶 弯 曲3 32123 0109 横 向 1阶 弯 曲图 2　 实 验 模 态 振 型 图112　 焊 点 模 拟 方 法建 立 点 焊 钢 板 的 有 限 元 模 型 ,钢 板 之 间 由 焊 点模 型 连 接 。

考 虑 到 实 际 钢 板 是 紧 密 搭 接 点 焊 连 接 ,而 有 限 元 建 模 时 须 取 其 中 间 面 ,则 两 钢 板 有 限 元 模型 之 间 存 在 一 定 的 距 离 ,即 两 板 厚 度 之 和 的 一 半 ,据此 确 定 焊 点 模 型 在 板 间 的 轴 向 长 度 实 际 焊 点 具 有一 定 的 质 量 、 刚 度 特 性 ,须 根 据 具 体 模 拟 方 法 进 行 确定 以 下 根 据 质 量 、 刚 度 一 致 的 原 则 ,建 立 焊 点 有 限元 模 型 ,逐 一 进 行 分 析 讨 论 11211　 B rick单 元采 用 ANSYS软 件 中 的 弹 性 体 单 元 ( SOL ID45)模 拟 焊 点 根 据 实 际 焊 点 形 状 确 定 焊 点 模 型 为 直 径6mm的 圆 柱 体 ,以 保 证 其 质 量 特 性 与 实 际 一 致 对其 划 分 体 网 格 ,其 中 网 格 的 疏 密 决 定 了 该 类 模 型 的刚 度 特 性 网 格 划 分 越 密 ,其 刚 度 越 小 ,越 接 近 实 际焊 点 (但 网 格 密 到 一 定 程 度 ,刚 度 不 再 减 小 )。

综 合求 解 时 间 和 模 拟 精 度 ,采 用 边 长 为 013mm的 体 单 元图 3　 B rick单 元划 分 网 格 建 立 的 焊 点 模 型 见 图3,共 1 122个 体 单 元 , 1 592个 节点 , 4 776自 由 度 该 模 型 复 杂 ,建 模 时 间 较 长 ,对 钢 板 网 格 划 分的 约 束 作 用 明 显 11212　 Beam单 元采 用 具 有 轴 向 拉 伸 及 弯 曲 效应 的 2节 点 梁 单 元 (BEAM4)模 拟 焊 点 ,梁 单 元 的 横截 面 形 状 为 圆 ,直 径 则 根 据 质 量 一 致 的 原 则 确 定 此 外 ,梁 单 元 的 截 面 形 状 、 尺 寸 还 决 定 了 其 刚 度 特性 这 种 模 型 较 复 杂 ,建 模 时 间 较 长 ,对 钢 板 的 网 格划 分 有 一 定 的 约 束 作 用 分 别 建 立 了 如 下 4种 有 代表 性 的 模 型 1) 单 个 梁 单 元 模 型 　 焊 点 用 单 个 梁 单 元 模拟 ,直 径 为 6mm ,见 图 4 ( a)2) 9个 梁 单 元 模 型 　 焊 点 用 9个 梁 单 元 模 拟 ,直 径 为 2mm,见 图 4 ( b)。

同 单 个 梁 单 元 相 比 ,因 为采 用 了 多 个 单 元 ,对 两 块 钢 板 的 约 束 面 积 增 大 ,整 个焊 接 区 域 的 刚 度 也 增 大 3) 伞 状 梁 单 元 模 型 　 钢 板 上 的 焊 点 区 域 采 用梁 单 元 连 接 ,焊 核 采 用 单 个 梁 单 元 模 拟 ,这 种 焊 点 模型 形 状 像 一 把 伞 ,故 称 为 伞 状 模 型 ,见 图 4 ( c) 位于 伞 顶 的 梁 单 元 直 径 为 01628 9mm,位 于 伞 柄 的 梁单 元 直 径 为 6mm4) 伞 — 9个 梁 单 元 模 型 　 在 上 述 伞 状 模 型 的基 础 上 增 加 两 钢 板 之 间 的 梁 单 元 个 数 ,见 图 4 ( d)位 于 伞 顶 的 梁 单 元 横 截 面 直 径 为 01628 9mm,位 于伞 柄 的 梁 单 元 横 截 面 直 径 为 2mm 同 伞 状 模 型 相比 ,整 个 焊 接 区 域 的 刚 度 增 大 图 4　 Beam单 元11213　 Shell单 元为 与 B rick单 元 、 Beam单 元 进 行 对 比 分 析 ,还 对采 用 具 有 薄 膜 及 弯 曲 效 应 的 弹 性 壳 单 元 ( SHELL63)模 拟 焊 点 的 单 层 壳 单 元 进 行 了 分 析 。

因 为 其 采 用 一层 钢 板 代 替 点 焊 连 接 的 两 层 钢 板 ,而 忽 略 两 钢 板 之间 的 焊 接 部 分 ,使 得 这 种 模 型 最 简 单 ,且 对 于 钢 板 网格 划 分 的 约 束 作 用 不 明 显 ,在 建 立 复 杂 大 型 结 构 的有 限 元 模 型 时 所 需 时 间 最 短 ,且 网 格 规 整 性 好 ,应 用广 泛 其 缺 点 是 忽 略 了 焊 点 和 钢 板 搭 接 部 分 ,不 能2008 (Vol. 30) No. 9 高 书 娜 ,等 。