盘点有限元中常用的焊点

汽车白车身和电池包壳体的零件连接大多采用电阻焊。电阻焊是将被焊工件压紧与两电极之间，通以低压高电流，电流流经工件接触面发热使其融化并与金属融合的方法。电阻焊有四种类型，点焊、缝焊、凸焊、对焊。点焊是在搭接工件表面形成扁球形的焊核，多用于白车身零件的焊接。据统计，每辆轿车白车身有4000~6000个电阻点焊焊点，这些焊点对车身的强度、刚度、疲劳耐久性、碰撞安全性影响很大。因此，建立一种高精度和高效率的焊点模型对于提高点焊结构的精度非常重要。但是，不同焊点的种类、精度、建模效率有很大差别，有限元分析中具体采用哪种焊点，需要根据工程问题、模拟精确度、建模的效率来选择。下面就盘点一下有限元分析中常用的焊点类型。

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有限元中常用的焊点

刚性梁单元、可变形梁单元、实体单元、Cweld单元、ACM2单元

1）刚性梁单元（RBE2）

采用刚性单元RBE2在一个主节点、一个从节点的连接部位建立刚性连接单元，使主节点和从节点具有相同的位移，以此来模拟两个部件焊接在一起。这种连接方式需要考虑网格对齐，保证刚性梁单元垂直于所连接的面。优点是：建模快速。缺点是：增大了局部刚度过大，可能会出现应力集中现象；严重依赖网格对齐，不适用于焊点很多的白车身焊点建模。

 

RBE2单元

2）可变形梁单元

与刚性梁单元相似，不同之处在于可变形梁单元可赋予材料类型和截面属性。优点：比刚性梁更符合焊点实际受力。缺点：依赖对齐的网格，焊核处失效行为难以模拟。

BEAM梁单元

3）Cweld单元

是一种具有特定的剪切柔性的梁单元。如下图，GA、GB定义焊点中心，并非真实的节点，GA-GB的距离为焊核的长度；GA、GB定义焊件面上4个辅助点，GAH1~4、GBH1~4，围成的四边形面积就是焊点的截面积。Cweld单元可实现节点对节点的连接（GA-GB/ALIGN）、节点与单元的连接（GS/GRIDID）、单元与单元的连接 （GA-GB/ELEMID）。优点：建模简单，能满足不协调网格的要求，准确模拟焊点的位置，可实现点对点、点对面、面对面的连接，模拟精度较高。

Cweld单元

Cweld单元模型

4）实体单元模型

是一种精细化的焊点模型， 母材采用壳单元，焊核采用六面体单元，可以定义焊点的材料、形状、直径以及焊核网格精细程度。优点：实体单元为圆柱状，与焊核形状接近，能较为真实的模拟焊点。缺点：需要局部的网格细化，增加了网格数量和建模难度。

实体单元

实体单元受力模型

实体单元焊点受力如上图所示，弯曲、扭转、剪切参数控制焊点的失效。普通的梁单元跟每层壳单元仅有一个节点接触，只能传递垂向力，而不能传递扭矩，无法模拟焊点的真实受力。这是梁单元没有实体单元模拟精度高的原因。

5）Brick单元

壳单元和六面体单元共节点连接。优点：模拟精度高。缺点：壳单元网格需对应，网格质量要求很高。

Brick单元

6）ACM2单元

是一种组合单元焊点模型，由六面体单元HEXA和连接单元RBE3构成。上下两层板之间建立一个六面体模拟焊核，六面体各个节点通过RBE3单元与上下两层板四个节点连接。焊核的载荷通过RBE3单元传递到壳单元，载荷大小由RBE3权重决定。优点是：可以精确的模拟焊点的位置，焊点模型不依赖与附近的网格形式，建模快捷。缺点是：引入了实体单元，计算量大。

ACM2单元

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六种焊点模拟方式的优缺点

表1 不同焊点的优缺点汇总

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其他形式的焊点

1）单层壳单元

两层薄板搭接部分采用单层壳单元。即划分网格时，对焊点周围的金属板作整体考虑，将焊点所连接的板件通过壳单元连接，壳单元的厚度与相连的金属板厚相同。

2）等效厚度壳单元

将搭接位置的两层板厚等效为一层板厚，即用一层金属板模拟两层通过焊点连接的金属板。等效厚度依据下式计算。

3）公共节点

采用公共节点连接上下两层金属板的焊点，保留搭接部分的上下两层壳单元。公共节点法，建模时间较短，精度比方法1和方法2高一些，推荐采用。

4）多个梁单元

有研究分别采用了1个、5个、8个梁单元模拟焊点，研究表明：5个和8个梁单元模拟精度要比1个梁单元低，原因可能是多个梁单元会增加局部的刚度，使固有频率变大；多个梁单元的建模时间比1个梁单元要长。所以，无论是从精度和效率上来讲，单个梁单元是焊点模拟的最佳选择。

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帽型梁案例

为了对比6种焊点模拟方式的差异，以帽型梁为模型，建立不同焊点的有限元模型。采用六种焊点模拟方法对帽型梁焊点建模，对比不同焊点对自由模态的固有频率的影响，依据参考文献中的模态测试数据进行焊点评价。焊点评价采用模拟精度和建模时间两个指标。帽型梁共有20个焊点，焊点直径5mm，焊点间距为50mm。焊点的有限元模型如下图所示。

说明：六个模型的焊点位置、焊点直径完全一致，对实体单元和Brick单元的有限元模型进行了细化，暂且认为网格精细程度对模态求解影响不大。

结论

1） 刚性梁单元和可变形梁单元前三阶固有频率相近，在不发生焊点断裂的前提下，二者模拟效果相似。

2） 实体单元和ACM2单元前二阶固有频率较为接近，第三阶相差较大。也可能是网格的差异引起的。

3） 与参考文献的试验模态相比，模拟精度从高到低依次是：实体单元→Rrick单元→Cweld→ACM2单元→可变形梁单元→刚性梁单元

建模效率由高到低依次是：刚性梁单元→可变形梁单元→Cweld单元→ACM2单元→Brick单元→实体单元

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小结

综合来看，实体单元和Brick的模拟精度最高，可模拟焊点的失效，但是建模时需要细化网格，建模效率低，不适合有大量焊点的白车身点焊结构建模中。刚性梁单元和可变形梁单元需要实现节点对节点的垂直连接，对焊点附近的网格协调性要求很高，大大增加了网格划分的难度。Cweld单元和ACM2单元不受网格协调性的限制，且模拟精度高、建模时间短，可设置焊点的失效，推荐采用。但是，ACM2单元引入了实体单元，计算时间比Cweld单元模型要长。另外，Cweld单元和ACM2单元的缺陷表现在以下方面：

1）ACM2单元中的实体单元每一个节点通过四个RBE3单元与壳单元相连，会占用过多的壳单元，例如：螺栓孔通常先建立一层washer，假设washer上的节点别RBE3占用，再使用bolt单元创建螺栓连接可能会出现创建失败现象。

2）Cweld单元对所连接的上下两层薄板的夹角有限制，两层薄板之间的夹角默认不能超过20°。

3）Cweld单元无法对称复制，而ACM2单元可以对称复制，可用以减小建模工作量。

综合考虑精度和效率，焊点较多的白车身或电池包壳体，适合优先采用Cweld单元、ACM2单元、可变形梁单元。根据不同部位对焊点精度和效率的需要，采用多种焊点对车身进行连接。

参考文献：

《车身点焊有限元建模方法探讨》

《点焊连接的有限元建模方法研究及案例应用》

《ACM2与CWELD焊点模型工程应用》

《点焊车零部件点焊有限元模拟及优化》

来源：  电池包设计与仿真优化

作者： CAE-小冷