崔志軍　伍志丹　王雪琦　蔣婷

摘 要：針對(duì)目前常見(jiàn)的4種焊點(diǎn)模擬單元，本文運(yùn)用子模型技術(shù)選取某不銹鋼地鐵車的12個(gè)參考點(diǎn)為研究對(duì)象，分別建立4種焊點(diǎn)有限元模型。對(duì)比4種單元的建模過(guò)程及12個(gè)參考點(diǎn)在AW3+縱向壓縮800Kn靜強(qiáng)度工況下的仿真應(yīng)力水平和試驗(yàn)應(yīng)力水平，結(jié)果表明：ACM單元的模擬平均誤差為4.06%，模擬精度最高，但該單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整車建模時(shí)網(wǎng)格規(guī)模較大，適合關(guān)鍵部件的精細(xì)研究;Rbe2單元的模擬平均誤差為9.89%，其本質(zhì)相當(dāng)于剛度無(wú)窮大的桿，模擬精度最低;Beam單元和Cweld單元建模都較簡(jiǎn)單，模擬平均誤差分別為6.55%和7.87%，整車建模時(shí)可使用beam單元。

關(guān)鍵詞：焊點(diǎn)模擬 有限元 子模型技術(shù) 單元

不銹鋼具有良好的抗腐蝕能力和優(yōu)秀的焊接性能，且由它制造出來(lái)的車體更加美觀，因此在軌道車輛上得到了大量的推廣和應(yīng)用?；诓讳P鋼的熱物理性能和焊接性能，目前各不銹鋼板件間最常用的連接方式就是電阻點(diǎn)焊，它作為不銹鋼點(diǎn)焊車體最主要的承力點(diǎn)，在車體上分布大約有3萬(wàn)～5萬(wàn)個(gè)。如此規(guī)模龐大的點(diǎn)焊數(shù)量，如何在有限元仿真軟件準(zhǔn)確模擬其傳力特性，對(duì)于軌道車輛前期的制造和設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。

目前各個(gè)科研單位和教學(xué)機(jī)構(gòu)對(duì)焊點(diǎn)的有限元仿真進(jìn)行了大量的研究。大連交通大學(xué)謝素明等人提出了位移耦合的建模思想來(lái)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行模擬，并驗(yàn)證了其有效性[1];西南交通大學(xué)姚亞濤等人通過(guò)模態(tài)分析對(duì)9種焊點(diǎn)模擬方式進(jìn)行研究[2];廣州汽車技術(shù)中心的鄔晴暉通過(guò)剛度分析和模態(tài)分析對(duì)5種焊點(diǎn)模擬方式進(jìn)行研究[3]。

本文選取某不銹鋼地鐵車上的12個(gè)參考點(diǎn)為研究對(duì)象，建立4種焊點(diǎn)模擬單元的有限元模型，通過(guò)分析對(duì)比12個(gè)參考點(diǎn)的仿真應(yīng)力水平和試驗(yàn)應(yīng)力水平，更直觀的得出4種常用焊點(diǎn)模擬單元的仿真精度。

1 子模型的應(yīng)用與選取

由于本文所研究的12個(gè)參考點(diǎn)位于車體的一個(gè)窗戶上，為了減小計(jì)算工作量，本文運(yùn)用基于圣維南原理的子模型技術(shù)[4]將該窗戶從車體上截取出來(lái)，截取的子模型如圖1所示，12個(gè)應(yīng)變片位置如圖2所示。

2 常見(jiàn)4種焊點(diǎn)模擬單元介紹

2.1 Beam單元

Beam單元是一種常見(jiàn)的較為簡(jiǎn)單的梁?jiǎn)卧?，其可以承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)以及彎曲等載荷[5]。該單元連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供6個(gè)自由度方向的剛度，由于其比較符合焊點(diǎn)的實(shí)際受力特點(diǎn)，因此常用來(lái)模擬焊點(diǎn)[6]。

Beam單元通過(guò)Hypermesh軟件中的ANSYS模塊來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建時(shí)需先根據(jù)CAD焊點(diǎn)圖在抽取的中面上創(chuàng)建硬點(diǎn)，此后在繪制網(wǎng)格時(shí)，硬點(diǎn)處會(huì)自動(dòng)生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，從而建立梁?jiǎn)卧鲝墓?jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。梁?jiǎn)卧慕孛鎸傩源砗更c(diǎn)直徑，梁?jiǎn)卧牟牧蠈傩詣t代表焊點(diǎn)材料。Beam單元焊點(diǎn)模擬如圖3所示。

2.2 Rbe2單元

Rbe2作為剛性單元可以為1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和n個(gè)從節(jié)點(diǎn)之間建立剛性連接[7]。本文則采用Rbe2在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、一個(gè)從節(jié)點(diǎn)的連接部位建立剛性單元，把集中力、力矩等載荷通過(guò)該單元分配到從節(jié)點(diǎn)上。該單元從節(jié)點(diǎn)不能獨(dú)立變形，其變形必須與主節(jié)點(diǎn)保持一致，這就相當(dāng)于用剛度無(wú)窮大的桿、梁把主節(jié)點(diǎn)和各個(gè)從節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，以此來(lái)模擬兩個(gè)部件之間的點(diǎn)焊。

該單元可以通過(guò)Hypermesh軟件中的Nastran模塊來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建方法跟beam單元類似，但因其為剛性元不需要為其賦予屬性。Rbe2單元焊點(diǎn)模擬如圖4所示。

2.3 Cweld單元

Cweld單元是一種具有特定的剪切柔性的梁?jiǎn)卧猍8]。該單元模擬焊點(diǎn)的原理如圖5所示。

每個(gè)Cweld單元將GA、GB定義為焊點(diǎn)中心，但并非真實(shí)的節(jié)點(diǎn)，GA-GB的距離為焊核的長(zhǎng)度;同時(shí)GA、GB兩點(diǎn)會(huì)為點(diǎn)焊連接件表面定義4個(gè)輔助點(diǎn)：GAH1～4、GBH1～4，這四個(gè)輔助點(diǎn)圍成的四邊形面積就是焊點(diǎn)的截面積。Cweld單元可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的連接（GA-GB/ALIGN）、節(jié)點(diǎn)與單元的連接（GS/GRIDID）、單元與單元的連接（GA-GB/ELEMID）。

本文使用的Cweld（GA-GB/ALIGN）可以通過(guò)Hypermesh軟件中的Nastran模塊來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建，創(chuàng)建方法跟beam單元類似，但在生成Cweld單元的同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成HM-PWELD屬性組，需為其賦予焊點(diǎn)單元的實(shí)際屬性。Cweld單元焊點(diǎn)模擬如圖6所示。

2.4 ACM單元

ACM單元是一種組合單元焊點(diǎn)模型，由六面體單元HEXA和柔性單元Rbe3構(gòu)成。上下兩層板之間建立一個(gè)六面體模擬焊核，六面體各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)Rbe3單元與上下兩層板四個(gè)節(jié)點(diǎn)連接[2]。焊核的載荷通過(guò)Rbe3單元傳遞到殼單元，載荷大小由Rbe3權(quán)重決定，一般該權(quán)重取1。

本文使用的ACM（equivalenced-（T1+T2）/2）可以通過(guò)Hypermesh軟件中的Nastran模塊來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建，首先在繪制完成有限元模型中根據(jù)CAD圖紙確定焊點(diǎn)的位置，接著通過(guò)1D模塊中的connector-spot來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建，在生成ACM單元的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)生成HEXA單元、Rbe3單元的mat和prop組，而Rbe3作為柔性元，不需要設(shè)置屬性，只需為ACM單元中soild塊賦予焊點(diǎn)屬性即可。ACM單元焊點(diǎn)模擬如圖7所示。

3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 對(duì)比分析方法

為了對(duì)比上述四種焊點(diǎn)模型下有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文選取車體在AW3+車鉤壓縮800kn這個(gè)典型工況作為計(jì)算工況。該工況下載荷邊界條件如表1所示。

分析對(duì)比過(guò)程如下：

（1）在Hypermesh中的ANSYS模塊中為車體焊點(diǎn)部位創(chuàng)建Beam單元，將全部模型導(dǎo)出為beam.cdb，放入到ansys中進(jìn)行計(jì)算得到beam.rst結(jié)果文件;在Nastran模塊中分別為車體焊點(diǎn)創(chuàng)建Rbe2、Cweld、ACM單元，并為窗戶的各個(gè)部件重新添加屬性，輸出分別包含輸出Rbe2、Cweld、ACM單元的rbe2.bdf、cweld.bdf、acm.bdf文件，放入到nastran中進(jìn)行計(jì)算，得到Hyperview中可識(shí)別的rbe2.op2、cweld.op2、acm.op2結(jié)果文件，4種焊點(diǎn)模擬單元的建模及分析過(guò)程如圖8所示;

（2）本文選取的12個(gè)參考點(diǎn)為車體試驗(yàn)中車窗部位12個(gè)應(yīng)變片的位置，為此可在有限元模型中選取與12個(gè)應(yīng)變片位置最為接近的12個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)記錄仿真應(yīng)力結(jié)果。本車試驗(yàn)已由長(zhǎng)客公司完成，12個(gè)應(yīng)變片位置的試驗(yàn)應(yīng)力結(jié)果從試驗(yàn)報(bào)告中查找得來(lái)。

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

提取4種有限元模型中12個(gè)參考點(diǎn)的仿真應(yīng)力結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2～表5。應(yīng)力單位為MPa。

為了更直觀的對(duì)比4種焊點(diǎn)模擬單元的仿真精度，分別計(jì)算各個(gè)單元模擬平均誤差，結(jié)果如圖9所示。

將四種焊點(diǎn)模擬單元下的計(jì)算應(yīng)力值與試驗(yàn)應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合圖9所示數(shù)據(jù)可知，4種模擬單元的平均誤差都較小，模擬精度從高到低依次是：ACM單元→Beam單元→Cweld單元→Rbe2單元。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某不銹鋼點(diǎn)焊地鐵車為基礎(chǔ)，運(yùn)用子模型技術(shù)將包含12個(gè)參考點(diǎn)的窗戶有限元模型截取出來(lái)，分別建立4種常用焊點(diǎn)有限元模型。結(jié)合4種焊點(diǎn)模擬單元特點(diǎn)及12個(gè)參考點(diǎn)的仿真應(yīng)力水平與試驗(yàn)應(yīng)力水平，進(jìn)行對(duì)比得出如下結(jié)論：

（1）4種焊點(diǎn)模擬單元中，Rbe2單元由于不需要賦屬性，因此建模最簡(jiǎn)單;ACM單元在建模過(guò)程中會(huì)同時(shí)生成HEXA單元和Rbe3單元，由于HEXA單元需賦屬性，且對(duì)焊點(diǎn)周圍網(wǎng)格也有較高的要求，因此其建模最復(fù)雜;而B(niǎo)eam單元和Cweld單元在建模時(shí)只生成一種需要賦屬性的1D單元，建模較ACM單元簡(jiǎn)單。（2）ACM單元模擬精度雖高，但由于該單元建模復(fù)雜，且運(yùn)用到整車建模時(shí)，會(huì)加大整車網(wǎng)格的規(guī)模，從而對(duì)硬件和時(shí)間提出挑戰(zhàn)，而B(niǎo)eam單元與Cweld單元建模過(guò)程類似，簡(jiǎn)單、快捷，但Beam單元精度較高。因此綜合考慮，在對(duì)不銹鋼點(diǎn)焊車進(jìn)行整車建模時(shí)，可選用Beam單元來(lái)模擬焊點(diǎn)，而對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行精細(xì)分析時(shí)，可選用ACM單元來(lái)模擬焊點(diǎn)。

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)項(xiàng)目（2020KY44023）。

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