CWELD焊點類型有限元結構剛度分析

劉玉敏，承姿辛

（漯河職業技術學院，河南 漯河 462000）

關鍵字：CWELD焊點；彎曲剛度；扭轉剛度

引言

電阻點焊是將電流通過焊件表面接觸處產生的電阻熱作為熱源，將焊件局部區域加熱使其融化，同時對焊件加壓進行焊接的方式。電阻點焊具有焊接時不需要填充金屬，生產效率高，焊接處變形小，易于實現自動化等優點，被廣泛應用于汽車行業中。常見的電阻點焊有縫焊、凸焊、點焊、對焊等。

MSC.NASTRAN是一個具有高度可靠性、功能齊全、適用面極高的結構分析軟件，常用其進行白車身結構疲勞耐久分析，NASTRAN CWELD是一種比較常見的焊點模擬方式。本文針對這種焊點類型，對簡單的薄壁梁結構進行彎曲剛度和扭轉剛度分析計算，找出焊點的最優模擬方式，為結構有限元仿真分析中焊點的模擬方法提供參考。

1 焊點類型介紹

CWELD焊點：在2000年MSC.Software公司的技術大會上，FANG提出了一種CWELD焊點模型[1]，該模型主要由一個特殊的剪彈性梁單元構成，該單元有12個自由度及2個節點。每個節點的6個自由度與對應的每個殼單元每個節點的3個平動自由度按照Krichoff殼理論的約束進行聯結[2-3]，將上下兩層單元聯結在一起，共形成12個約束方程。此外CWELD焊點類型單元不需要上下兩個焊接面的網格節點對齊，共存在三種連接形式：“點-面”連接、“點-點”連接、“面-面”連接，其中“面-面”連接是被應用最廣泛的連接形式，因此選取這種比較常見的焊點連接方式進行研究。本文基于NASTRAN分析軟件中的NASTRAN CWELD焊點類型進行研究，將焊點連接形式設置為Eleset，該焊點的具體表征形式如圖1所示。

圖1 NASTRAN CWELD焊點單元的表征示意圖

2 有限元分析對比

2.1 仿真分析模型的建立

為了對比及計算方便，采用如圖2所示的簡單梁結構作為基礎模型，對不同的焊點類型進行模擬驗證[4]。該梁單元由兩個厚度均為1mm的鈑金焊接而成，將該梁單元網格大小平均設置為8mm，在其兩側分別各均布10個焊點。該梁長為380mm，寬為87mm，高為35.5mm，焊點間距均為35mm，均勻分布，共20個焊點單元，最終建好的模型共含有1426個網格單元和1426個節點。

圖2 梁單元模型

我們知道RB2單元是剛性單元，具有極高的剛度，為了對比不同焊點單元類型間的剛度，我們以RB2單元為基準，將CWELD剛度仿真分析值比RB2單元剛度仿真分析值，以此結果來評判這三種焊點類型的剛度值。

具體評價標準如下：

評價標準=（CWELD剛度仿真分析值/RB2單元剛度仿真分析值）%

2.2 工況機評價指標的確定

2.2.1 扭轉工況的確定

如圖3所示，約束端面A的1-6個方向的全部自由度，將端面B處的節點用RBE2抓取，在抓取的MPC主節點處施加大小為2000N.m的扭矩，中間截面C不做任何約束，讀取該梁單元的最大旋轉角度。

圖3 工況示意圖

2.2.2 彎曲工況的確定

約束端面A和端面B的1-6個方向的全部自由度，將中間截面C處的節點用RBE2單元抓取，在RBE2主節點處施加-Z向100N的力，讀取RBE2主節點的Z向位移。

2.3 有限元分析結果

2.3.1 扭轉工況分析結果

按照扭轉分析工況的設置，在NASTRAN中對不同工況下的模型進行計算，最終得出分析結果。得出在CWELD焊點及RBE2下，0.376°、0.106°。由此計算出CWELD焊點的扭轉剛度具體如表1所示。

圖4 CWELD焊點的扭轉角度

表1 不同焊點扭轉剛度分析結果

由表1可知，RBE2單元下梁單元的扭轉剛度大于CWELD下的扭轉剛度。

2.3.2 彎曲工況分析結果

如圖所示，上述彎曲工況，對三種焊點模型分別進行有限元分析，提取中間截面C處RBE2主節點在Z向上的位移，CWELD焊點類型下梁單元中間節點處的位移大小為0.0576mm，RBE2焊點彎曲工況的分析結果為0.0443mm，梁的彎曲剛度具體如表2所示。

圖5 彎曲工況下分析結果

表2 不同焊點扭轉剛度分析結果

根據以上分析結果，CWELD焊點的彎曲剛度遠低于RBE2焊點的剛度。

3 總結

根據以上分析結果，在彎曲剛度和扭轉剛度方面，CWELD焊點的剛度較低，遠低于RBE2焊點的剛度，后期應結合具體地試驗對CWELD焊點的剛度繼續進行研究。