有限元模型中常见的焊点单元有哪些？

大家好，我是团长。

本期我们来讲讲车身模型搭建时常用的点焊连接方式。

本文所研究白车身的主要连接方式为点焊连接，还有少量螺栓连接、线焊和铆接。各种连接方式在有限元模型中用具有一定力学性质的单元来代替。连接方式模拟的合理性影响到模型中构件间的力的传导方式是否接近实际状况。

目前点焊的模拟方式主要有四种：ACM、 RBE2、 CWELD、 RBE3。

【CWELD】焊点模型是由一个有特定剪切柔性的梁单元构成，梁单元的节点分别位于被焊接的两个焊接面上，当两个被焊接的焊接面上焊点处都定义有节点时，可以直接将这两节点用CWELD梁单元连接；如果焊接面上焊点处没有布置节点（绝大多数情况下），则在焊点处定义CWELD梁单元，且该单元的两个节点就会自动与焊点周围的节点相连来实现两个焊接面的连接，即考虑了点焊局部刚度对结构整体振动特性的影响。因此，用CWELD梁单元可以实现面对面的连接，即单元对单元的连接，连接刚度由定义的单元的材料属性来定义。

  图1  CWELD连接

【RBE2】单元属于刚性单元，它定义一个节点为独立的主节点，其余各节点为非独立的从节点，在计算节点位移的时候是以主节点作为参考的，从节点保持与主节点的自由度约束，形成刚体运动。实际建模过程中需要依赖于焊接面上已存在的节点，且最好能够实现法向对齐，但这对不同部件的网格划分一致性提出了很高的要求，要想完全做到焊接面网格对齐是极其困难的。此外RBE2实现的是节点与节点的刚性连接，焊点本身不具有单元属性，跟实际的焊点区域有细微差别，会增加连接刚度。

图2  RBE2连接

【RBE3】单元不属于刚性单元，但它同RBE2一样，也定义一个主节点和多个从节点，区别在于计算节点位移的时候是分别计算各个从节点的位移，然后根据从节点与主节点的约束计算出主节点的位移。RBE3通常用于把集中力/力矩分配到实际承载的区域的各个从节点上，各个从节点得到了分配的力之后，各自独立变形实际上就是代替了手工把总力/总力矩分配到各个节点这个过程。RBE3的连接刚度比RBE2低。

图3  RBE3连接

ACM属于区域接触模型，最早是由Heiserer等人提出，该模型由一个处于两焊接件间垂直于被焊接表面的六面体单元通过RBE3单元分别于两被焊接件的壳单元连接而成，载荷通过RBE3单元扩散到被焊接的多个节点上，载荷的扩散方向和大小根据RBE3的权重系数来决定（这种单点也称为RBE3-HEXA-RBE3单元）。由于ACM是区域接触，可以直接实现面与面的焊接，用六面体单元模拟焊核，跟实际情况比较吻合，值得注意的是，该焊点的刚度强弱也是由中间的HEXA单元的材料属性定义来决定的。

图4  ACM连接