车身点焊连接有限元模拟方法研究
2008年 (第 30卷 )第 9期
汽 车 工 程
Automotive Engineering 2008 (Vol. 30) No. 9
2008182
车身点焊连接有限元模拟方法研究 3
3 国家 863计划项目 (2006AA110102)资助。
原稿收到日期为 2007年 11月 20日 ,修改稿收到日期为 2008年 1月 28日。
高书娜 ,邓兆祥 ,胡玉梅
(重庆大学机械传动国家重点实验室 ,重庆 400030)
[摘要 ] 通过焊接钢板的实验模态与分析模态的对比分析 ,讨论了 3种焊点有限元模型的模拟精度及建模时
间。建立了某型轿车和微型客车的车身有限元模型 ,进行了轿车白车身分析模态与实验模态的对比分析 ,以及微型
客车整车强度、实车破坏情况分析 ,进一步讨论了焊点模型的模拟精度。结果表明 ,单个梁单元可用于模拟车身模
型中的点焊连接 ,为车身的结构分析及设计提供了有力支持。
关键词 :焊点 ;有限元分析 ;模态分析 ;强度分析
A Study on the Finite ElementModeling for Spot2welds of Vehicle Body
Gao Shuna, D eng Zhaoxiang & Hu Yum ei
Chongqing University, The S tate Key Laboratory of M echanical Transm ission, Chongqing 400030
[ Abstract] Based on the analysis on experimental modes and analytical modes of spot2welded steel plate,
the modeling time and accuracy of three finite element models of spot welds are compared. Then the finite element
models for a car body and a m ini2bus body are built, and the comparative analysis between the analyticalmodes and
the experimental modes of the car body2in2white, and that between strength analysis result and the real failure state
of m ini2bus are carried out, with the modeling accuracy of spotweld models further discussed. The results show that
single beam element can be used to simulate the spot weld in the finite element model of vehicle body, which offers
a help to the structure analysis and design of vehicle body.
Keywords: spot welds; fin ite elem ent analysis; m odal analysis; strength analysis
前言
点焊结构具有质量轻、静强度高、可靠性好、性
能稳定和易于实现自动化等优点 ,在汽车工业中被
广泛地采用 ,是车身结构大量金属板件之间的主要
连接方式。采用有限元方法进行车身结构分析及设
计时 ,车身金属板件可用具有薄膜及弯曲效应的壳
单元描述 ,而焊点本身却难以模拟。对于由大量分
布焊点连接而成的车身来说 ,焊点有限元模型的模
拟精度和建模时间非常重要 ,是保证车身计算结果
正确并具有较高精度的关键技术 [ 1 ] 。
在车身分析模型中 ,可采用主要模拟焊点区域
质量和刚度特性的焊点模型 ,其自由度较少 ,建模时
间也较短 [ 2 - 3 ] 。首先进行点焊钢板的模态实验 ,参
照实验结果分析几种典型焊点有限元模型的模拟精
度及建模时间 ;然后采用 2种焊点模型建立某型轿
车及微型客车的车身有限元模型 ,分别进行模态分
析和强度分析 ,并与样车实验结果进行对比 ,进一步
分析焊点模型的模拟精度。
1 焊点模拟方法分析
111 点焊钢板的实验模态
典型车身结构上的焊点形状近似直径为 4 ～
6mm的圆柱体 ,间距在 30～60mm 之间 ,并以 40mm
左右居多 ,主要为搭接点焊 ,单排布置 ,承受剪力或
拉力。选取两块相同尺寸的钢板以 45mm的间距搭
·812 · 汽 车 工 程 2008年 (第 30卷 )第 9期
接点焊连接 ,几何尺寸见图 1。
图 1 点焊钢板
实验仪器主要有 :激振器、传感器、电荷放大器、
数据采集系统等。钢板的实验模态结果见表 1,振
型见图 2,其中纵向弯曲指焊接钢板弯曲模态的节
线垂直于焊点所在直线 ,横向弯曲指焊接钢板弯曲
模态的节线平行于焊点所在直线。
表 1 实验模态频率
阶数 固有频率 /Hz 阻尼比 /% 固有振型
1 16164 1125 1阶扭转
2 26142 1101 纵向 1阶弯曲
3 32123 0109 横向 1阶弯曲
图 2 实验模态振型图
112 焊点模拟方法
建立点焊钢板的有限元模型 ,钢板之间由焊点
模型连接。考虑到实际钢板是紧密搭接点焊连接 ,
而有限元建模时须取其中间面 ,则两钢板有限元模
型之间存在一定的距离 ,即两板厚度之和的一半 ,据
此确定焊点模型在板间的轴向长度。实际焊点具有
一定的质量、刚度特性 ,须根据具体模拟方法进行确
定。以下根据质量、刚度一致的原则 ,建立焊点有限
元模型 ,逐一进行分析讨论。
11211 B rick单元
采用 ANSYS软件中的弹性体单元 ( SOL ID45)
模拟焊点。根据实际焊点形状确定焊点模型为直径
6mm的圆柱体 ,以保证其质量特性与实际一致。对
其划分体网格 ,其中网格的疏密决定了该类模型的
刚度特性。网格划分越密 ,其刚度越小 ,越接近实际
焊点 (但网格密到一定程度 ,刚度不再减小 ) 。综合
求解时间和模拟精度 ,采用边长为 013mm的体单元
图 3 B rick单元
划分网格。建立的焊点模型见图
3,共 1 122个体单元 , 1 592个节
点 , 4 776自由度。该模型复杂 ,
建模时间较长 ,对钢板网格划分
的约束作用明显。
11212 Beam单元
采用具有轴向拉伸及弯曲效
应的 2节点梁单元 (BEAM4)模拟焊点 ,梁单元的横
截面形状为圆 ,直径则根据质量一致的原则确定。
此外 ,梁单元的截面形状、尺寸还决定了其刚度特
性。这种模型较复杂 ,建模时间较长 ,对钢板的网格
划分有一定的约束作用。分别建立了如下 4种有代
表性的模型。
(1) 单个梁单元模型 焊点用单个梁单元模
拟 ,直径为 6mm,见图 4 (a)。
(2) 9个梁单元模型 焊点用 9个梁单元模拟 ,
直径为 2mm,见图 4 ( b) 。同单个梁单元相比 ,因为
采用了多个单元 ,对两块钢板的约束面积增大 ,整个
焊接区域的刚度也增大。
(3) 伞状梁单元模型 钢板上的焊点区域采用
梁单元连接 ,焊核采用单个梁单元模拟 ,这种焊点模
型形状像一把伞 ,故称为伞状模型 ,见图 4 ( c) 。位
于伞顶的梁单元直径为 01628 9mm,位于伞柄的梁
单元直径为 6mm。
(4) 伞 —9个梁单元模型 在上述伞状模型的
基础上增加两钢板之间的梁单元个数 ,见图 4 ( d)。
位于伞顶的梁单元横截面直径为 01628 9mm,位于
伞柄的梁单元横截面直径为 2mm。同伞状模型相
比 ,整个焊接区域的刚度增大。
图 4 Beam单元
11213 Shell单元
为与 B rick单元、Beam单元进行对比分析 ,还对
采用具有薄膜及弯曲效应的弹性壳单元 ( SHELL63)
模拟焊点的单层壳单元进行了分析。因为其采用一
层钢板代替点焊连接的两层钢板 ,而忽略两钢板之
间的焊接部分 ,使得这种模型最简单 ,且对于钢板网
格划分的约束作用不明显 ,在建立复杂大型结构的
有限元模型时所需时间最短 ,且网格规整性好 ,应用
广泛。其缺点是忽略了焊点和钢板搭接部分 ,不能
2008 (Vol. 30) No. 9 高书娜 ,等 :车身点焊连接有限元模拟方法研究 ·813 ·
很好地模拟实际焊点的质量、刚度特性。
113 综合评价
对采用上述几种焊点模型的钢板有限元模型进
行模态分析 ,并与实验模态进行对比 ,综合讨论几种
焊点模型的模拟精度和建模时间 ,对比结果列于表
2。观察表 2,发现分析模态与实验模态在振型上均
表 2 各类焊点模型综合对比表
第 1阶模态 第 2阶模态 第 3阶模态
振型 频率 /Hz 相对误差 /% 振型 频率 /Hz 相对误差 /% 振型 频率 /Hz 相对误差 /%
建模
时间
实验 扭转 16164 - 纵弯 26142 - 横弯 32123 - -
Brick单元 扭转 171104 2179 纵弯 251960 - 1174 横弯 321361 0141 较长
Beam
单元
单个 扭转 161986 2108 纵弯 251691 - 2176 横弯 311587 - 2100 较短
9个 扭转 171169 3118 纵弯 261460 0115 横弯 341197 6110 较长
伞 扭转 161975 2101 纵弯 251683 - 2179 横弯 311802 - 1133 长
伞 —9个 扭转 171127 2193 纵弯 261345 - 0128 横弯 341144 5194 长
Shell单元 扭转 161747 0164 纵弯 211162 - 19190 横弯 341855 8114 短
吻合较好 ,所以下面主要从频率的角度进行分析。
(1) B rick单元 频率相对误差在 ±3%以内 ,
吻合较好 ;频率越高其相对误差越小 ,有降低趋势。
该单元的模拟精度较高 ,主要是因为采用了细致的
体网格模型 ,它的轴向刚度和剪切刚度都与实际焊
点最为接近。
(2) Beam单元 频率相对误差基本在 ±3%水
平 ,与实验基本吻合 ;其中 9个梁单元及伞 —9个梁
单元的相对误差在 6%左右 ,略显偏大 ,这主要是因
为第 3阶模态的频率取决于焊点模型的剪切刚度 ,
而这两种单元的剪切刚度偏大 ,所以与实验结果相
比 ,它们的频率相对误差偏大 ,模拟精度略显偏低。
单个梁单元与伞状单元相比 ,模型简单、建模时间偏
短 ,略显优势。所以在 Beam 单元中 ,可采用单个梁
单元模拟焊点。
(3) Shell单元 在 3阶频率处的相对误差分别
约为 1%、- 20%、10% ,即第 1阶频率的相对误差
小 ,而其它两阶的均较大。点焊钢板的纵弯模态频
率受两板件弯曲时接触作用影响大 ,横弯模态频率
受两板件剪切拉伸作用影响大 ,所以其有限元模型
的第 2阶和第 3阶模态的频率分别取决于焊点模型
的轴向刚度和剪切刚度。而单层壳焊点单元采用一
层单元代替点焊连接的两层钢板 ,而忽略了两板之
间有接触作用的部分 ,从而使得模拟的纵弯模态频
率偏低 ,横弯模态频率偏高 ,与实验结果相比 ,它们
的频率相对误差偏大。
综上所述 , B rick单元的模拟精度最高 ,这一分
析结论与国内外文献中的结论一致 [ 1 - 2, 4 ] ,但其建模
时间较长 ;单个梁单元的模拟精度较高 ,且建模时间
最短 ; Shell单元的模拟精度偏低。所以将焊点有限
元模型应用在车身模型上时 ,建议采用单个梁单元
模拟焊点。
2 焊点模型在车身模型中的实验验证
211 某型轿车模型中的实验验证
将几种焊点模型应用到车身模型中 ,进行车身
模态的实验对比分析 ,可进一步讨论焊点模型的模
拟精度。但在实际汽车结构中焊点数量非常大 ,典
型的车身结构就含有 3 000～5 000个焊点 [ 2 - 3 ] ,若
采用 B rick单元模拟焊点 ,则建立的白车身模型的自
由度数将超过百万 ,超出了目前计算机的求解能力。
所以对单个梁单元和 Shell单元模拟焊点的情况进
行了详细分析。
21111 白车身有限元模型的建立
建立了两种白车身有限元模型 ,一种在车身金
属板件之间的点焊连接和少数螺栓连接处采用
Beam单元模拟 ;另外一种采用 Shell单元模拟。此
图 5 白车身有限元模型
外 ,车身金属板上尺寸较
大的孔保留 ,而忽略直径
较小的孔 ; 车身结构上的
其他一些细节问题如尺寸
较小的结构、倒角倒圆、加
强筋等忽略 [ 5 - 6 ] 。对几何
模型进行简化 ,并划分网
格 ,建立板件之间的连接 ,
得到白车身有限元模型 ,见图 5。
所采用的材料模型为各向同性线弹性结构材料
模型 ,杨氏模量 E = 207GPa,密度 ρ= 7 830kg/m3 ,泊
松比 ν= 0127。
·814 · 汽 车 工 程 2008年 (第 30卷 )第 9期
21112 实验验证
对所建立的白车身有限元模型进行模态分析 ,
并与实验模态进行对比 ,对比结果见表 3和图 6。
在振型上 ,分析模态与实验模态吻合较好 。在
表 3 白车身分析模态与实验模态对比结果
模态 试验频率 /Hz
Beam单元 Shell单元
计算频率 /Hz 相对误差 /% 计算频率 /Hz 相对误差 /%
振型描述
1 3214 30192 - 4157 301913 - 4159 顶棚 Y向 1阶弯曲 ,地板绕 X 轴晃动
2 3517 36136 1185 361034 0194 整车 1阶扭转
3 4710 45164 - 2189 441417 - 5150 整车 Z向 1阶弯曲
4 5114 53102 3115 521827 2178 发动机舱扭转
5 5313 53169 0173 511706 - 2199 整车 Z向 2阶弯曲
6 6211 61139 - 1114 591319 - 4148 整车 Y向弯曲和 2阶扭转耦合
7 6514 66149 1167 651075 - 0150 整车 2阶扭转 ,B柱中部 Y向振幅较大
8 6616 66107 - 0180 66156 - 0106 地板中部、顶棚靠近风挡处的 Z向弯曲
9 7019 70152 - 0154 681843 - 2190 地板隧道梁附近和顶棚中后部 Z向弯曲
图 6 白车身分析模态与实验模态振型图
频率上 ,Beam单元的相对误差在 ±5%以内 ,而 Shell
单元的第 3 阶频率误差超过了 ±5%的范围 , Shell
单元的误差略显偏大 ; Beam单元的相对误差随着频
率升高基本呈现降低趋势 ,而 Shell单元有升高趋
势 ,因此 Beam 单元的模拟精度高一些。车身实际
建模时间表明 ,两种单元的建模时间相差不大。
综上所述 , Shell单元基本可以在车身模型中模
拟焊点 ,但是采用 Beam 单元的计算结果精度更高
些。所以建议采用单个梁单元模拟车身模型中的点
焊连接。
212 实车验证
图 7 微型客车有限元模型
在车身金属板件之
间的点焊连接和少数螺
栓连接处采用 Beam单元
模拟 ,利用 21111中的建
模方法 ,建立了某微型客
车的有限元模型 ,见图 7。
根据微型客车有限
元模型 ,进行极限工况强
度分析 ,并与实车使用过程中出现的破坏情况进行
对比 ,如图 8所示。
图 8 微型客车强度破坏及分析结果
实车在后立柱下部出现板件破裂 (图 8 ( a) ) ;图
8 (b)的分析结果显示 ,在相同部位出现较大的应
力 ,超出了材料的屈服极限 ,板件将出现破裂 ,这一
分析结果与实车的破坏情况一致 ,说明所建立的微
2008 (Vol. 30) No. 9 高书娜 ,等 :车身点焊连接有限元模拟方法研究 ·815 ·
型客车有限元模型可以描述实车的强度特性 ,同时
也说明了单个梁单元可用于模拟车身模型中的点焊
连接。
3 结论
(1) 焊接钢板的分析模态和实验模态对比分析
表明 ,B rick单元的模拟精度最高 ,但其建模时间较
长 ;单个梁单元的模拟精度较高 ,且建模时间最短 ;
Shell单元的模拟精度偏低。
(2) 白车身分析模态和实验模态对比分析表
明 ,Beam单元和 Shell单元均可用于车身模型模拟
焊点 ,但 Beam单元的精度更高。
(3) 整车强度分析结果与实车破坏情况一致 ,
进一步说明 Beam单元可以用于车身有限元模型的
焊点模拟。
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(上接第 799页 )
结构的描述一致。通过对 Cd 和 Cl 值的计算 , 可以
明确这种存在部分分离和复杂涡形态的流动对于车
体空气动力学的总体影响。表 1为 Cd 的实验值和
计算解。
表 1 计算解与实验值比较
实验 S2A Real SST
Cd 01298 01324 01323 01305
误差 + 817% + 813% + 213%
就总体 Cd 值而言 , 3 种 DES模型与文献 [ 7 ]
(仅采用 S2A DES模型与 URANS模型进行比较 )的
数值解比较接近。其中 SST DES模型的计算值较为
理想。其原因可能在于 : SST DES模型中的 SST模
型融合了 k2ε模型和 k2ω模型的特点 ,不仅具有 k2ω
模型在近壁区计算稳定准确的特点 , 还具有 k2ε模
型对偏离局部平衡态较远的湍流计算适应性较强的
性质 ,从而比较适合对存在逆压梯度的流场 (如分离
流 )进行计算分析。
4 结论
由于文献 [ 7 ]计算中通过 y + 约为 1来控制第 1
层网格结构 ,而计算精度与本次计算接近。所以 ,通
过 30 < y + < 300的方法控制的物体近壁面网格结
构 ,对于 DES模型就钝头体外绕场的计算是有效
的 ,从而做到计算精度和计算资源消耗的平衡。
本次数值计算中 ,从车体特定部位 Cp 值线图、
速度云图以及流场中特定位置速度线图可见 : 3种
DES模型对类车体外流场结构的描述基本一致 ,并
没有绝对占优的情况。
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