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2004 年 MSC.Software 中国用户论文集 LS-DYNA 梁式焊点单元计算稳定性以及精度研究 李 涛 泛亚汽车技术中心 - 1 - 2004 年 MSC.Software 中国用户论文集 LS-DYNA 梁式焊点单元计算稳定性以及精度研究 李涛 (泛亚汽车技术中心) 摘 要: LS-DYNA 软件是碰撞分析的主流软件之一，该软件为了提高焊接建模的速度和计 算精度，于950，960 版本中推出了与有限元网格无关的梁式焊点模型。笔者在商用有限元 前处理程序基础上二次开发出的自动焊接工具箱大大提高了焊接效率，但在应用过程中发 现，该梁式焊点模型存在着大变形区域计算不稳定的缺陷。笔者在计算分析基础上，采用混 合焊点的方法，弥补了该缺陷，在建模速度和计算稳定性的矛盾中找到了平衡。 1. LS-DYNA 梁式焊点模型 梁式焊点 有限元 壳单元 焊点位置 图1 梁式焊点单元简图 梁式焊点单元（图1）是具有一定截面特性和材料的梁。该梁垂直于需要连 接的两个壳单元， 两个端点位于壳单元所在的平面上，端点的中点位于实际的 焊点位置。在计算时LS-DYNA 通过焊接接触算法实现焊接。 由于该焊点单元不利用任何其他单元的节点，这样在车身有限元建模时不 需要考虑节点对齐，焊点位置精度高，并可以方便地进行自动焊接。而且焊点本 身具有材料和截面特性，为焊点特性优化提供了可能。 2. 自动焊接工具箱 车身有限元碰撞模型传统上采用刚性元直接连接节点进行焊接，建模过 程中要求刚性元尽量垂直于连接的单元，而且尽量靠近实际的焊点位置。 这样 会导致焊接时间大大增加。 一般情况下， 需要一人近一周的时间， 而且焊点 的位置较难保证。 笔者在商用的有限元前处理程序基础上二次开发出了自动焊接程序进行 - 2 - 2004 年 MSC.Software 中国用户论文集 LS-DYNA 梁式焊点单元的焊接（图2）。该程序的最大优点是能够仅仅依靠焊点位 置信息和焊点层数信息，不必知道焊接零件信息就可以进行准确地焊接，而且提 供了各种灵活的焊接工具。该程序大大提高了有限元焊接效率。将车身焊接时间 缩短到了一人1~2 天就可完成。然而在应用过程中，笔者发现梁式焊点计算时会 出现发散现象，因此进行了如下研究。 图2 梁式焊点元焊接工具箱和补焊工具箱 3. 不同焊点在帽形薄壁直梁碰撞过程中的表现 帽性薄壁直梁的正面碰撞是较成熟的碰撞分析工况，碰撞过程存在很大的 焊点变形区，因此笔者采用该工况进行焊点对比研究。 3.1 刚性元和梁单元直接连接 笔者采用刚性元和梁单元直接连接各个节点，分别建立帽型薄壁梁模型。将 薄壁梁的一端固定，在另一端用一无限质量的刚性墙进行碰撞，变形结果如图3， 4 所示。二者计算稳定性都较好。变形虽然有一定的差异。但刚性墙的受力曲线 相互吻合（图 5）。因此，可以初步确定，可变形焊点和刚性焊点具有差别不大 的计算稳定性和计算精度。 V 图3 刚性元连接帽型薄壁梁碰撞分析 V 图4 直接采用梁单元连接帽型薄壁梁碰撞分析 - 3 - 2004 年 MSC.Software 中国用户论文集