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试验与研究WeldingTechnologyVol．38No．4Apr．2009··

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文章编号

：1002－025X(2009)04-0007-03

车身焊点有限元建模方法探讨

杨年炯

，钱立军

1，2

，关长明

1

1

（1．合肥工业大学机械与汽车学院，安徽合肥230009；2．广西工学院汽车系，广西柳州

545006）

摘要：点焊构件的耐久性取决于焊点的疲劳强度，建立焊点的高精度有限元模型对分析焊点的疲劳强度问题至关重要。为此建立了焊

点的各种有限元模型，根据典型金属板件的自由模态试验，比较了各模型的模拟精度和建模时间，得出了单个梁单元更适用于模拟车

身点焊构件焊点的结论

。

关键词；建模时间

：焊点；有限元建模；模拟精度；梁单元

中图分类号文献标志码

：TG445：B

点焊结构具有质量轻、静强度高、可靠性好试验用金属板上焊点共12个（包括焊边两端处

、

性能稳定和易实现自动化等优点，在汽车工业中被广的2个焊点），间距为45mm，熔核直径为

4～6mm。

泛采用，是车身结构大量金属板件之间的主要连接在典型金属板上共取了99个测点，进行金属板件的

形式。在典型的车身结构中，通常含有

［1］

自由模态试验，试验结果见表1，振型如图

3000～5000

2所示

。

个焊点。焊点的疲劳强度决定了点焊构件的耐久性

。

表模态对比

1

另外，在一条自动生产线上装备一个焊点的点焊机械

阶数固有频率阻尼比固有振型

/Hz（％）

装置可能需要

3万美元，而为了补救先期设计中的不

116．641．25

226．421．01

一阶扭转

纵向一阶弯曲

足而增加一个焊点，就意味着生产线上的成本也增加

横向一阶弯曲332．230．09

3万美元。因此，在设计的早期运用计算机辅助分

［2］

析的手段，对车身焊点进行疲劳寿命预测，对于有效

降低生产成本，缩短汽车设计开发周期，提高产品的

质量有着重要的现实意义。用计算机准确地分析焊

［3］

点的疲劳强度，先要建立高精度的焊点有限元模型

。

2方法及比较

1典型金属板件焊点的试验模态在用有限元方法分析焊点的疲劳强度时，可采

典型车身结构上的焊点熔核形状近似直径为用多种类型单元模拟焊点，具体采用哪种焊点有限

4～6

mm的圆柱形，间距30～60mm之间，并以40mm左元模型，需根据具体的工程问题、模型模拟精度

、

右居多，主要为搭接点焊，单排布置。待焊金属板厚建模效率等来选择。在此使用ANSYS建立焊点有限

度为1mm，几何尺寸如图1所示元模型，并对模型的模拟精度、建模时间进行比较

。，

以找出适用于车身搭接点焊焊点的有限元模型。建

模过程中，焊点以45mm等间距分布，熔核直径

6

mm。金属板

E＝207GPa，ρ＝7830kg／m，μ＝0．27。

3

2．1Shell单元建模方法

采用具有的4节点、3个平动节

点自由度、3个转动节点自由度的弹性壳单元

（SHELL63）模拟焊点。建立此类模型所需时间短

，

收稿日期

：2008-12-18

模型简单，且对于金属板件的单元网格质量约束作用基金项目：合肥市“十五”重点科技攻关项目

·试验与研究焊接技术第卷第期年月

·8

38420094

不明显。建立了如下3种模型

：

（1）单层壳单元

。

忽略两金属板之间的搭接部分，如图

3所示。划分结构网格时不将焊点周围的金属板单独

考虑，而是作为整体考虑，将通通

元连接，，即把

它们看作一块板，统一划分单元网格。单元边长

5

mm，共8000个单元，8181个节点，49086个自由

度。该等效模型非常简单，对建立整体结构模型所需以上3种焊点模型的计算结果见表2。由表

时间最短，且不需考虑网格尺寸及单元规则性问题可见，对于单层壳单元和等效厚度壳单元，其分析模

。

态与试验模态的振型一致；第一阶、第三阶频率相对

误差较小，在10％以内，而第二阶频率相对误差较大

，

因此不宜采用此2种模型模拟焊点。公共节点单元

，

其分析模态与试验模态的振型一致；一、二、三阶频

率相对误差均较小，在6％以内。可见采用

能够比较准确地描述实际焊

接金属板的模态特征，而且建立模型所需时间较短

。

表单元模态计算结果对比表

2Shell

（2）。用

1层金属板等效2层通