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摘 要：点焊是各种车体广泛采用的焊接技术，在车体结构分析中详细创建每个点焊的有限元模型是不现实的，需要用简单、高效且精度适当的模型代替。文章运用HyperMesh软件中单元的点焊模型创建方法，介绍了多种典型帽型梁点焊结构，通过仿真模态、试验模态结果的对比分析，从动力学角度分析了有限元模型的振动特性，说明了各种单元型点焊模型的建模精度特点。
关键词：HyperMesh, 点焊, 有限元建模, CWELD单元, 模态分析
引言
点焊是汽车车身结构常用的一种连接方式，为对这种结构进行有限元分析必须建立相应的点焊模型。对于由分布成千上万个焊点连接而成的车身来说，点焊结构的有限元模型建模技术是保证计算结果正确且有较高精度的关键技术[1]。由于车身结构具有焊点数目多、空间曲面复杂及几何特征多等特点，要建立精确的车身模型极为困难。在建模时，一般都对车身结构进行了简化处理，目前常用的焊点建模方法是节点与节点之间以刚性杆单元直接连接来模拟焊接关系[2]，焊接单元是由模拟焊点的有限元节点对构成，由于整车车身有限元模型已经十分复杂，本文基于采用HyperMesh模拟焊点的方法研究探讨多种点焊建模方法并以汽车工程中典型结构进行模态分析，并进行对比分析。如图1所示： （图片） 1 新型焊接单元的有限元模拟
1.1 单梁单元点焊模型
点焊结构由焊核和连接板共同组成，在仿真计算中，使用位于薄板中面的薄壳单元来模拟薄板，焊点连接则用连接两板中面且垂直于中面的刚性杆单元来模拟[3]。单梁点焊模型曾经广泛应用于汽车的有限元分析之中。它在焊点的位置处用一弹性或刚性的梁将被焊接的部件连接起来，或者直接将布置在两焊接件上的焊点处的节点合并从而达到连接的目的。该模型着重于模拟焊点的刚度特征及其对周围结构的影响。对于单梁形式的焊点模型，通常情况下用刚性梁RBE2来建立。如图1所示（为便于读者观察，隐藏了部分上下板单元）。
1.2 CWELD梁单元点焊模型
在新型点焊模拟方法中，就是在有限元单元与单元之间引入CWELD梁单元来模拟焊接关系，单元到单元的间距即为梁单元的长度，一般为上下两块板壳实际厚度之和的一半，采用此方法，需要分析在壳单元上的动态特性是否能正确传递至点焊单元。CWELD焊点模型是由一具有特定剪切柔性的梁单元构成，梁单元的节点分别位于被焊接的两个焊接面上，当两个被焊接的焊接面上焊点处都定义有节点时，可以直接将这两节点用CWELD梁单元连接，如果焊接面上焊点处没有布置节点，则在焊点处定义CWELD梁单元。该单元的两个节点就会自动与焊点周围的节点相连来实现两个焊接面的连接，即考虑了点焊局部刚度对结构整体振动特性的影响，如图2所示。因此，用CWELD梁单元可以实现面对面的连接，即单元对单元的连接。（图片） 1.3 多刚性梁单元点焊模型
多刚性梁模型将点焊用多个刚性梁代替，这些刚性梁沿焊核圆周分布，其局部有限元模型（为便于读者观察，隐藏了部分上下板单元）如图3所示。（图片） 1.4 ACM2点焊模型
ACM2点焊模型（Area Contact Model 2 区域接触模型2的缩写），如图4所示。与CWELD 焊点模型相似，ACM2 焊点模型也是一种简化有限元模型，其典型构造如图4 所示。以G 点为中心，在上、下被焊接板之间建立一个六面体实体A1-A2-A3-A4-B1-B2-B3-B4。其上表面、下表面的各个节点分别通过RBE3 单元(图4中虚线所示)与上、下被焊接板的四个节点相连。
六面体单元的尺寸与焊核的尺寸相当，焊点所受的载荷经过RBE3单元扩散到两被焊接件上被选定的多个节点上，载荷的扩散方向和大小根据RBE3单元及壳单元所定义的权重系数决定。（图片） 2 模型简介
2.1 几何模型概况
本文选用具有代表性的帽型梁与平板点焊连接的模型作为分析对象，其基本结构断面尺寸如图5所示，左视结构尺寸如图6所示。图示结构也是点焊车体最基本的组成部分。该结构沿边缘纵向平均分布10个点焊，间距为60mm，每个焊点的直径为5mm，上下两块板的厚度均为1.5mm。（图片） 2.2 有限元模型
有限元模型中，帽型梁、平板采用HyperMesh软件中的PSHELL壳单元模拟，其材料特性参数为：板材为车身结构常用的低碳钢，质量密度ρ=7.85×103kg／m3 ；弹性模量E=2.08×l011Pa；泊松比μ=0.28。模型包括19014个QUAD4单元、14个点焊CWELD单元和19634个节点。其中，焊核材料特性与上下板相同。该帽型梁整体有限元模型如图7所示。（图片） 3 模态分析对比
3.1 模态试验情况
该试件的模态试验，采用SignalPad模态试验分析模块，SignalPad模态分析模块是一个标准化的模态测试软件平台。结合使用美国国家仪器(National Instruments)的动态信号分析(DSA)采集硬件，SignalPad软件平台能够较好完成从数据采集、信号处理、频响函数估计、三维建模、ODS、模态分析、振型相关性分析、和报告生成等任务。
SignalPad软件使用NI公司图形化编程语言LabVIEW开发而成，集成了强大的模态分析功能，能够进行单参考点或多参考点的全局最优拟合识别模态，SignalPad的高级模态分析方法基于稳定图分析更能准确识别密集模态、共轭模态和重根模态。SignalPad 软件提供了多种模态分析功能，包括多自由度(MDOF) 多项式拟合法、多参考最小平方复频率(LSCF)稳态图法、随机子空间法(SSI)。本试验采用多参考最小平方复频率(LSCF)稳态图法先生成稳态图、从稳态图中确定模态的位置、估计所选模态的模态形状与参数。具体的试验的系统组成如图6所示，试验结果见表1。（图片） 3.2 模态分析对比
对模态的前5阶进行分析，具体振型如图7所示。将实验数据与数据分析结果进行比较有重要意义，它可以直观地验证数值分析的准确程度。HyperMesh中多种点焊单元对于该汽车工程中单帽梁结构模态分析结构与实验值对比分析见表1所示。（图片） 从表中可以看出，各种点焊单元类型的连接方式，相对于实验频率值，其精度：单梁结构偏小，很明显是由于其刚度不足；CWELD、ACM2结构误差相对较小，但由于ACM2建模操作较复杂，所以实际应用中宜选用CWELD点焊结构；而多刚性梁则误差较大，由于多刚性梁无意中增加其刚度导致模态频率值偏高。（图片） 4 结论
文章运用HyperMesh软件中单元的点焊模型创建方法，由于车身结构复杂，焊点数目多。在建立焊接单元时，可根据情况选择适宜的焊点模拟方法。
结合精度要求、局部网格进行细化前处理的工作量情况，选择适当的点焊单元连接类型，有利于快速建模，通过对多种点焊有限元模型进行模态分析并与试验进行对比，说明CWELD单元对单元是一种方便有效的焊点模拟方法。本文得出以下结论：
1)有限元仿真的可靠性主要取决于模型创建的质量，合理的模型对指导工程有重要意义；
2)用CWELD模型创建点焊结构的有限元模型将使模态分析结果更加真实可靠。
本文只是对车辆典型帽型梁点焊结构的建模方法进行研究分析，而将CWELD模型用于整车模态分析的可靠性有待进一步试验验证。
5 参考文献
[1]邬晴晖.车身点焊结构有限元分析方法研究[J].北京,机电工程技术,2005,34(3):60-62
[2]孙凌玉,谢军,于春生等.汽车车身结构动力学建模方法研究[J].北京,机械工程学报,19999,35(5):72-74
[3]何文,张维刚,钟志华.汽车动态仿真中车身点焊有限元建模的新方法[J].北京,汽车工程,2006,28(1):81-84
[4]于开平,周传月.《HyperMesh从入门到精通》.北京：科学出版社,2005
9/16/2013
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