1、机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期车身点焊结构有限元分析方法研究&邬晴晖广州汽车技术中心(广东广州#)*%+摘要：本文探索了#种有限元焊点模拟方法，并和试验对比，成功研究出了“ 节点耦合铰接模型” ，这一既有较高精度又高效的焊点结构有限元模拟方法，可以方便、高效地对大量焊点进行恰当的描述，更适合企业在汽车产品开发过程中进行数值分析。关键词：汽车；车身；点焊；有限元法中图分类号：,%*$-.!文献标识码：/文章编号：)010%0! !#+ $1*1$&广州市!)年度重大科技计划资助项目编号：!)1!1)#1)+收稿日期：!%*!#)前言点焊是现代车身制造中应用最广泛
2、的工艺。据统计，每一辆轿车车身上，约有%2*个电阻点焊焊点，例如：上海大众 “ 帕萨特” 每辆车的白车身焊点总数近#0点。以有限元法为主的3/4技术，是汽车设计由经验设计转变为科学设计的必不可少的一项重要技术，这对于当前我国的汽车设计现状来说，尤为重要5)6。在应用通用有限元分析软件进行车身分析计算中，车身钣金件容易用具有薄膜及弯曲效应的壳单元描述，而焊点本身却不易模拟。对于由成千上万个分布的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并有较高精度的关键技术(国内外也开展了一定的研究5!1*6。本文的目的就是研究出更适合企业产品开发过程中的车身结构焊点模拟方法。!焊
3、点的模拟方法车身点焊的焊核形状为直径%2*77的金属快，焊点间距多数为#77左右。我们探索了以下#种有限元焊点模拟方法，并使用通用有限元分析软件/89:9进行了研究。（)）短梁模型用梁单元连接模拟焊点连接，在/89:9中采用可轴向拉压、扭转和弯曲的;=7%梁单元。每个节点有*个自由度。本次分析中梁单元形状参数是直径#77、高-077（ 即内、外板壳单元中性层间的距离，其中内板厚)-77，外板厚-.77）的圆柱。（!）轴向刚性短梁模型对上述短梁;、,:、,?三个平移自由度方向上具有相同的位移，而不耦合两个节点的AB、AB:、AB?三个转动自由度。此模型相当于一端为销铰的刚性杆。（#）弹性圆柱体模
4、型用三维弹性体单元构成圆柱体模拟焊点，至少分为两层，采用.节点弹性体单元CDEFG%#。而被焊点连接的钣金件采用%节点弹性壳单元构成。因焊点数目太大，没有采用 “ 在体单元周围设置刚性杆单元来使体单元的移动自由度转换成壳单元的移动及转动自由度”的方法。本文是将板壳单元和体单元采用公共节点的方式进行连接，在焊点处的板壳单元网格加密细化，以增加两种单元之间变形的协调性。$五种模拟方法的比较分析（)）驾驶室车门的几何模型及有限元模型本次焊点模拟分析的汽车点焊钣金件结构以羊城轻卡的驾驶室左后车门为例进行。有限元模型不包括玻璃、内装、把手等与分析几乎无关的部件。门内外板等钣金件采用四节点以及少量的三节点
5、空间板壳单元进行网格划分。制造业信息化*机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期焊点先后用上述#种方法进行模拟。各种模拟方法的单元数和节点数分别列在表&中。（!）分析与试验工况!车门窗框单侧受载刚度分析载荷：&()，加载在车门窗框角点处，方向为!向，如图&所示。约束：约束两门铰处各*个自由度和门闩处!、轴向的平动及绕!、轴的转动自由度。车门扭转刚度分析载荷：扭矩!+&*$,#-.，加载在车门门闩处，扭转方向为绕#轴扭转。约束：约束两门铰处各*个自由度和门闩处!、轴向的平动及绕!、轴的转动自由度。#门下沉位移分析载荷：+()，即一个人的质量，加载在车门手把中心，平均分加在
6、$个节点上，方向为轴负向，即垂直向下。约束：约束两门铰处的各*个自由度。$车门自由状态有限元模态分析%车门自由状态模态试验（$）分析计算结果与试验结果计算与试验结果见表!。因篇幅有限，图!/图%仅出示节点耦合铰接模型模拟结果。表&不同模拟方法的车门单元总数和节点总数单元总数节点总数短梁模型或 轴向刚性短梁模型%$#+%!$节点耦合全自由度约束模型或 节点耦合铰接模型%$#!%!$弹性圆柱体模型%$!$%+%图&车门窗框单侧受载的载荷图图!节点耦合铰接模型模拟焊点在窗框单侧受载刚度分析，门闩一侧的窗框上角发生最大位移，大小为,!.图$节点耦合铰接模型模拟焊点的振型&车门整体一阶扭转，$0$,#%
7、#12图%节点耦合铰接模型模拟焊点的振型!外板纵向一阶弯曲同时内板二阶弯曲，$0%,*%+12制造业信息化*&机电工程技术!#年第$%卷第$期机电工程技术!#年第$%卷第$期图#、图&为 车门自由状态模态试验结果：（%）分析计算及试验结果的比较与讨论根据以上数据分析讨论如下：!与试验误差最小 （ 模态振型完全一致，模态频率误差最小）的是节点耦合铰接模型。因为这种模型更符合实际：焊点附近较易发生铰销现象，即焊点连接的两块钣金件在焊点处的角位移可以不一致，如图。此外，节点耦合铰接模型还有的优点是建模与分析的效率高。我们有位移矢量关系式：!#!$%$& (其中#$#扭转工况下，由于梁模拟焊点其抗弯抗
8、扭模量、刚度等参数未经过试验验证，所以在本次分析中有所偏差（ 刚度偏小） ，导致变形较大，一阶频率值偏低。$采用轴向刚性短梁来模拟的时候，梁的轴向刚度很大，在三种工况下的变形量都有一定的减小，固有频率也有所提高。%节点耦合全自由度约束模型模拟焊点为两端都是刚性的杆，与实际不符，刚性过高。&弹性圆柱体偏刚，因为用圆柱体几何模拟焊点金属块过大，线弹性也无法表达焊点附近实际发生的屈服铰销现象，而且实体单元与壳单元的连接难于处理得各位移协调。%结论（)）本文成功研究开发出的 “ 节点耦合铰接模型” ，这一既有较高精度又高效的焊点结构有限元模拟方法更适合企业在汽车产品开发过程中进行数值分析。（!）对车身
9、整体结构宜采用节点耦合铰接模型模拟其焊点。若要了解某个危险区域焊点本身的强度，可以用弹性圆柱体单元模拟*&+，对该局部焊点本身及其周围进行网格细化。参考文献：)邬晴晖，郭竹亭,国内外车身设计技术的差距*-+ ,汽车技术，). /01 2)%3)&,!45678 9, 4,，:;? ; ABCDEB 477D7? 7 FGH IJK=LKJ6B M?N7?D7? %),).%2!$3!%,$RKESD7 -6T? R,( Q5 ABH ; 6 QKEKB6J UBG D7 6V5D=B AJ6TD7? %$%,).%2)#)03)#!,%O,O,凯墨尔，-,P,沃尔夫，陈砺志译,现代汽车结构分析
10、*O+ ,人民交通出版社，).0，.2)$.3)%,#F6?BJ WDGD X( 6B, UJK=KJ6B PG5?DYD;D7? .!)0,).!,&郑朝云，点焊结构的标准式样及有限元分析*-+ ,重庆交通学院学报,).% /$1 2)$3),作者简介：邬晴晖，男，).%0年生，广东番禺人，大学本科，高级工程师。研究领域：汽车车身现代开发技术、汽车ZVW设计。/编辑：梁玉1图&振型外板纵向一阶弯曲同时内板二阶弯曲图#振型：车门整体一阶扭转图两钣金件在焊点处的角位移表!五种焊点模拟方法的变形、应力及模态分析与试验固有频率的比较有限元模拟方式实际试验短梁轴向刚性短梁节点耦合全自由度约束节点耦合铰
11、接模型弹性圆柱体车门实际模态试验窗框单侧受载最大位移最大应力),)% TT!#,$%O6,0. TT$,0)O6,. TT$.,$O6,0! TT$.,&%O6,&. TT$&,$!O6车门扭转刚度分析最大位移&),TT%),.TT!,$TT!$,0$TT!,0%TT车门下沉刚度分析最大位移.,#TT,&#TT&,.0TT,$!TT,!$TT车门整体一阶扭转$,0$W/带局部弯1%,%!W/带局部弯1$.,)%W$0,#%#W$0,.!%W$&,%)W车门外板纵向一阶弯曲同时内板二阶弯曲%),!&%W/带局部扭1%,.&0W/带局部扭1%&,%# W%,&% W%&,$%W%$,#!)W模态分
12、析与试验固有频率制造业信息化&!#$%!&$#!#!#!$#%&()*+, -. +/)#/)*)0(1 *,2(30*-, 4-51 -. 6/,15( -.3-.( 7-0!#$% &()*+,-. /0$% 1()23,24$!% &()*+,)* -)./012.34 ,56078),9,*4: &()*;8,?: 8.)(AB%&()*;8, C(78.)014D020(178 E)23.330: &()*+,)*: &()*;8,!=?: 8.)(F#5678397:G07(20 *10(3 38.7H +.55010)702 0I.23 ,) J(99 ,5 8()+90,5 7
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14、102932%;?86:8()+90 ,5 7,5500 K,3A*(2 (22.230+ .)O073.,) M,9+.)*AM,9+ 2317310!#!$#%8(/)9:(4(,0 ;*:09/5 *,)0:94(,0 1()*+,A!B$% &3,)63,，!#$% C+3,)D(,2$ R.(M0) -)./012.34:R.(M0) ?=!: 8.)(F#5678397: 680 K(K01 .)31,+702 380 7,)70K32: 2,53J(10 ()+ 8(1+NJ(10 2317310: K1.)7.K90: 78(1(7301.23.72 ()+ (KK9.7(3.
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