摘 要：ACM2模型采用六面體單元來模擬焊核，然后將六面體的8個節(jié)點(diǎn)通過RBE3單元與所焊接的面片單元聯(lián)結(jié)，來模擬焊點(diǎn)，但是關(guān)于ACM2模型中六面體單元的尺寸大小尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為了研究ACM2單元的最佳焊核尺寸和模擬精度，分別對焊核尺寸為6.0 mm、5.32 mm和4.24 mm時的ACM2單元進(jìn)行探討。分析了三種典型的鈑金拼接結(jié)構(gòu)，對比分析三種焊核尺寸在基礎(chǔ)拼接結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中的分析精度，將這三種焊核尺寸應(yīng)用于某A級轎車白車身有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析并且與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，焊點(diǎn)尺寸設(shè)置為5.32 mm時可以獲得最精確的分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；有限元；焊點(diǎn)；ACM2模型；單元尺寸

中圖分類號：U463.82+1文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.07

在汽車白車身CAE分析中，焊點(diǎn)的模擬是一個值得研究的課題。對于白車身而言，通常有5 000個左右的焊點(diǎn)，焊點(diǎn)的模擬精度對于整個白車身的CAE分析結(jié)果產(chǎn)生重要的影響[1]。

關(guān)于焊點(diǎn)的模擬，出現(xiàn)了很多模型，如CBAR、CWELD、CFAST、ACM2等[1-2]。ACM2模型既可以應(yīng)用于Nastran的線性分析，也可以應(yīng)用于Abaqus進(jìn)行非線性分析，在汽車行業(yè)中應(yīng)用較廣泛。為了提高CAE分析精度，技術(shù)人員和科技工作者對于焊點(diǎn)的模擬進(jìn)行了大量的研究工作。Palmonella等人[3]通過對一個雙帽型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)有限元分析并與試驗(yàn)對比，研究了ACM2模型的各項參數(shù)和靈敏度。Fumiyasu Kuratani等人[4]研究了ACM2焊點(diǎn)模型在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中的特性，通過一個焊接板研究了焊核尺寸和面片尺寸對于模態(tài)分析的影響，認(rèn)為焊核尺寸和面片單元尺寸大小對于分析結(jié)果有明顯影響。Liang Jianyong等人[5]的研究表明，ACM2焊點(diǎn)模型在白車身模態(tài)分析中，有限元分析結(jié)果的誤差可控制在8%以內(nèi)。但是，這些研究者均沒有詳細(xì)研究ACM2模型焊點(diǎn)尺寸選擇的依據(jù)，也沒有指出最合適的單元尺寸。

本文研究了ACM2模型的基本原理，并結(jié)合實(shí)際焊核與ACM2中六面體單元的幾何以及力學(xué)關(guān)系，研究了三種單元尺寸，分別為：4.24 mm，5.32 mm和6.0 mm。然后對某A級轎車白車身進(jìn)行有限元模態(tài)分析，焊點(diǎn)采用ACM2模型模擬，單元尺寸分別采用前述三種焊核尺寸，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比。最后，確定了在白車身模態(tài)分析中的ACM2焊點(diǎn)模型的最佳單元尺寸。

1 ACM2模型基本原理

ACM2焊點(diǎn)模型最早由文獻(xiàn)[6]提出。該模型由一個1階六面體單元模擬焊核，六面體單元的8個節(jié)點(diǎn)通過RBE3單元建立多點(diǎn)約束與所焊接的面片單元（即所焊接的兩層殼單元）連接。圖1是ACM2焊點(diǎn)模型的典型結(jié)構(gòu)。這種焊點(diǎn)模型不需要面片單元的節(jié)點(diǎn)對齊，避免了局部網(wǎng)格重新劃分的挑戰(zhàn)，建模效率較高。

對于六面體單元的每一個節(jié)點(diǎn)均位于面片單元平面內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的載荷和位移相應(yīng)地由殼單元通過RBE3單元加權(quán)平均獲得，從而實(shí)現(xiàn)兩層面片單元之間的載荷和位移的傳遞。

3 ACM2焊點(diǎn)模型的評估

汽車白車身由鈑金件沖壓成型后，主要通過點(diǎn)焊拼接在一起。圖3是某轎車白車身的局部示意圖，通常整個白車身有三種典型的拼接結(jié)構(gòu)：

（1）“雙拼型”結(jié)構(gòu)。以地板的焊接為典型代表，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為兩個平板的對接，在接頭處進(jìn)行點(diǎn)焊焊接。

（2）“雙帽型”結(jié)構(gòu)。以A柱、B柱、前縱梁、門檻梁等為典型代表，其特點(diǎn)是兩個帽型鈑金件對接，在法蘭邊上焊接。

（3）“單帽型”結(jié)構(gòu)。以中、后縱梁，側(cè)碰加強(qiáng)梁等為典型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是一邊為帽型，另一邊為平板，拼接在一起后，在法蘭邊上進(jìn)行焊接。

這三種結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性對于整個白車身的模態(tài)特性有重要的影響。因此，在進(jìn)行ACM2焊點(diǎn)尺寸對整個白車身的模態(tài)特性影響研究之前，先針對這三種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

3.1 雙拼型結(jié)構(gòu)評估

建立某雙拼型結(jié)構(gòu)有限元模型，焊點(diǎn)采用ACM2模型，研究前文所述三種單元尺寸下的結(jié)構(gòu)模態(tài)特性，并與試驗(yàn)結(jié)果對比。圖4為簡化后的雙拼型結(jié)構(gòu)簡圖。文獻(xiàn)[4]對雙拼型薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)研究，這里將參考其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比研究。

將焊點(diǎn)單元尺寸：A14.24 mm，A26.0 mm， A35.32 mm建立的有限元模型分別命名為“Model A1”、“Model A2”和“Model A3”，分別對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，提取前6階非剛體模態(tài)。分析完成后，將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5為這三種分析模型的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差。對于這種簡單的結(jié)構(gòu)而言，有限元分析與試驗(yàn)的誤差均能控制在4%以內(nèi)。Model A2與Model A3的分析精度基本相同，且均在3%以內(nèi)，而Model A1的誤差最大。圖6是對應(yīng)的模態(tài)振型。

3.2 雙帽型結(jié)構(gòu)評估

雙帽型結(jié)構(gòu)是車身上重要構(gòu)件的典型結(jié)構(gòu)，比如門檻梁、B柱、前縱梁、頂蓋橫梁等。為了便于研究，建立了簡化的雙帽型結(jié)構(gòu)，該簡化結(jié)構(gòu)法蘭邊上各10個焊點(diǎn)，鈑金厚度均為1.5 mm，焊點(diǎn)間距為60 mm，如圖7所示。

文獻(xiàn)[1]對于雙帽型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CWELD、ACM2等五種焊點(diǎn)模型關(guān)于面片單元尺寸和靈敏度的相關(guān)研究，同時還進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，這里參考其試驗(yàn)結(jié)果。

模態(tài)分析與試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖8所示。從結(jié)果來看，Model A1的分析精度最高，Model A2和Model A3的精度比較接近，且Model A3的精度略高于Model A2。從總體來看，除第1階模態(tài)外，其余幾階模態(tài)分析值與試驗(yàn)值的誤差均在4%之內(nèi)。圖9列出了前6階模態(tài)振型。

3.3 單帽型結(jié)構(gòu)評估

單帽型也是白車身上常見的結(jié)構(gòu)類型，圖10是簡化后的單帽型結(jié)構(gòu)。與雙帽型相比，其下部為平板，上部為一個帽型鈑金，在法蘭邊進(jìn)行焊接。

對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，焊點(diǎn)分別采用前述的三種尺寸。文獻(xiàn)[7]對于單帽型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)研究，這里參考其試驗(yàn)結(jié)果。圖11為仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差對比。

從圖11的數(shù)據(jù)分析，Model A3的分析精度最高，與試驗(yàn)結(jié)果的誤差保持在4%之內(nèi)。Model A2的誤差保持在5%之內(nèi)，而Model A1的誤差僅保持在8%之內(nèi)。模態(tài)振型如圖12所示。

4 ACM2模型白車身模態(tài)分析

白車身模態(tài)分析是汽車NVH開發(fā)過程中一個最基本且最重要的分析，只有嚴(yán)格保證了白車身的模態(tài)頻率達(dá)到目標(biāo)值，才能使后期的整車模態(tài)頻率不至于過低，從而能保證NVH品質(zhì)。在開發(fā)過程中，仿真的分析精度就顯得較為重要。對于白車身模態(tài)分析而言，有限元網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)以及焊點(diǎn)的模擬是影響其分析精度的重要因素。對于有限元網(wǎng)格和材料參數(shù)而言，是完全可控的，因此焊點(diǎn)的模擬精度成為最重要的影響因素。對于使用較為廣泛的ACM2焊點(diǎn)而言，有必要研究其單元尺寸。

對某A級轎車進(jìn)行有限元自由模態(tài)分析，提取其前10階非剛體模態(tài)，同時還進(jìn)行了白車身模態(tài)試驗(yàn)。圖13列出了三種模型仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果誤差的對比。

從誤差對比來看，ACM2焊點(diǎn)在白車身模態(tài)分析中與試驗(yàn)的誤差整體控制在4%以內(nèi)。文獻(xiàn)[5]的方法對于焊點(diǎn)精度的評估是有效的，因此采用該方法對三個模型在各階模態(tài)的誤差值進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，可得Model A1、Model A2和Model A3的整體計算誤差水平，見表1。從統(tǒng)計結(jié)果可見Model A3的計算精度最高。

圖14是白車身前6階自由模態(tài)振型。第1階模態(tài)為整體扭轉(zhuǎn)，第2階為整體彎曲模態(tài)，第3階為整體二階扭轉(zhuǎn)，第4階為整體二階彎曲模態(tài)，第5階為后地板局部垂向彎曲模態(tài)，第6階為彎扭組合模態(tài)。

5 結(jié)論

（1）對于雙拼型結(jié)構(gòu)，Model A2和Model A3的精度接近。對于雙帽型結(jié)構(gòu)，Model A1有最高的分析精度，誤差基本可控制在4%之內(nèi)。而對于單帽型結(jié)構(gòu)，Model A3的分析精度最高，與試驗(yàn)結(jié)果的誤差保持在4%之內(nèi)。

（2）對于整個白車身而言，是三種典型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜組合。通過統(tǒng)計學(xué)方法比較，可得Model A3的整體誤差最小，具有最高的模擬精度。在白車身模態(tài)有限元分析中推薦采用的Model A3焊點(diǎn)尺寸，即為5.32 mm。

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