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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集

HyperMesh 在车辆典型点焊结构有限元建模中的应用
姚春柱 王红岩 迟宝山 (装甲兵工程学院 北京 100072)

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、高效的模型代替。文章介绍

了一种典型帽型梁点焊结构, 并运用 HyperMesh 软件中新型单元对单元的点焊模型创建方法, 即在有限元单元之问以 CWELD 梁单 元来模拟焊点,从动力学角度分析了有限元模型的振动特性,与传统的节点对节点的焊接模拟 方法、试验结果进行对比,说明了单元型点焊模型是一种更适合点焊车体结构的高效、实用建 模方法。 关键词:HyperMesh;点焊;有限元建模;CWELD 单元;模态分析

0 前言
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, 为不增加工作量,采用HyperMesh中一种新的模拟焊点的方法,即焊接单元是由有限元单元对 单元组成, 在有限元单元与单元之间采用CWELD梁单元来模拟焊接关系, 这样在建立焊接单元 时,无须对局部网格进行细化处理,减轻了有限元建模前处理的工作量。两种建模方法对比如 图1所示:

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a.单元对单元模拟 图1两种焊接单元对比示意图

b.节点对节点模拟

1 新型焊接单元的有限元模拟
1.1 点焊连接关系的模拟
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]。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。

2.2 CWELD 梁单元点焊模型
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。

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图2 面对面型的CWELD模型示意图

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3所示,左视结构尺寸如图4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3 结构断面图

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图4 结构左视图

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 泊松比μ=0.28。 模型包括19014个QUAD4单元、 14个点焊CWELD单元和19634 E=2.08×l011Pa; 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5所示。

图5 帽型梁结构有限元模型

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

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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6 模态试验系统组成

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,它不仅可以直观地验证数值分析的准确程度,两种建模方法和试验结果对比分析,见 表1所示。

表1 两种点焊模型模态计算结果与实验对比 阶数 试验频率 (Hz) 1 2 3 4 5 512..33 552.71 577.28 629.53 648.65 节点—节点 (Hz) 458.68 474.21 506.42 525.41 533.83 误差 (%) 10.47 14.20 12.27 16.54 17.70 CWELD 单元—单元 (Hz) 470.75 492.83 515.35 545.57 580.13 误差 (%) 8.12 10.83 10.73 13.34 10.56

从表中可以看出,采用单元对单元型连接方式,相对于实验频率值,其精度要优于节点对 节点型建模方式。因此,可以说单元对单元型不仅建模方式简洁,而且具有相当的实用和高效

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性,从反应结构动态特性的角度考虑,此种方式更适合点焊结构的建模。

a.第1阶振型图

b.第2阶振型图

c.第3阶振型图

d.第4阶振型图

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e.第5阶振型图 图7 模态分析各阶振型图

4 结论
由于车身结构复杂,焊点数目多。在建立焊接单元时,可采用新型的单元对单元的焊点模 拟方法。此种方法避免了传统的点对点模拟方法中对局部网格进行细化的处理,大大减轻了前 处理的工作量,提高了划分网格的效率,有利于快速建模,通过对2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。 可以得出以 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

HyperMesh Application in Finite Element Modeling
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of Vehicle Typical Spot-weld Structures
Abstract:Spot welding is a widely employed technique to join sheet metals and cap
structures of vehicle, it is not practical in the car body structure analysis to model each and every spot-weld in detail,and simple models need to be used instead.This paper introduces cap structures, applies a new type of finite element unit to unit spot-weld simulation method of HyperMesh software, uses CWELD beam unit to simulate spot-weld between finite elements, analyses vibration characteristics in the sight of structural dynamics and compared to results of node to node spot-weld and the test, educes that unit to unit spot welding is a effective and practical method for vehicle spot-weld structures.

Key words: HyperMesh

spot-weld

FEA

CWELD

modal analysis

作者简介:姚春柱(1981—) ,男,黑龙江齐齐哈尔人,博士研究生,主要研究方向:车辆仿 真与系统论证。 电话:010—66717575,15901200508。Email:ycz81722@sohu.com 通讯地址:北京市丰台区杜家坎21号装工院车辆室 邮编:100072

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