汽車白車身和電池包殼體的零件連接大多采用電阻焊。電阻焊是將被焊工件壓緊與兩電極之間，通以低壓高電流，電流流經(jīng)工件接觸面發(fā)熱使其融化并與金屬融合的方法。電阻焊有四種類型，點(diǎn)焊、縫焊、凸焊、對焊。點(diǎn)焊是在搭接工件表面形成扁球形的焊核，多用于白車身零件的焊接。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每輛轎車白車身有4000~6000個電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)，這些焊點(diǎn)對車身的強(qiáng)度、剛度、疲勞耐久性、碰撞安全性影響很大。因此，建立一種高精度和高效率的焊點(diǎn)模型對于提高點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的精度非常重要。但是，不同焊點(diǎn)的種類、精度、建模效率有很大差別，有限元分析中具體采用哪種焊點(diǎn)，需要根據(jù)工程問題、模擬精確度、建模的效率來選擇。下面就盤點(diǎn)一下有限元分析中常用的焊點(diǎn)類型。

剛性梁單元、可變形梁單元、實(shí)體單元、Cweld單元、ACM2單元

采用剛性單元RBE2在一個主節(jié)點(diǎn)、一個從節(jié)點(diǎn)的連接部位建立剛性連接單元，使主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)具有相同的位移，以此來模擬兩個部件焊接在一起。這種連接方式需要考慮網(wǎng)格對齊，保證剛性梁單元垂直于所連接的面。優(yōu)點(diǎn)是：建?？焖佟Ｈ秉c(diǎn)是：增大了局部剛度過大，可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；嚴(yán)重依賴網(wǎng)格對齊，不適用于焊點(diǎn)很多的白車身焊點(diǎn)建模。

RBE2單元

與剛性梁單元相似，不同之處在于可變形梁單元可賦予材料類型和截面屬性。優(yōu)點(diǎn)：比剛性梁更符合焊點(diǎn)實(shí)際受力。缺點(diǎn)：依賴對齊的網(wǎng)格，焊核處失效行為難以模擬。

BEAM梁單元

是一種具有特定的剪切柔性的梁單元。如下圖，GA、GB定義焊點(diǎn)中心，并非真實(shí)的節(jié)點(diǎn)，GA-GB的距離為焊核的長度；GA、GB定義焊件面上4個輔助點(diǎn)，GAH1~4、GBH1~4，圍成的四邊形面積就是焊點(diǎn)的截面積。Cweld單元可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)的連接（GA-GB/ALIGN）、節(jié)點(diǎn)與單元的連接（GS/GRIDID）、單元與單元的連接 （GA-GB/ELEMID）。優(yōu)點(diǎn)：建模簡單，能滿足不協(xié)調(diào)網(wǎng)格的要求，準(zhǔn)確模擬焊點(diǎn)的位置，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對面、面對面的連接，模擬精度較高。

Cweld單元

Cweld單元模型

是一種精細(xì)化的焊點(diǎn)模型， 母材采用殼單元，焊核采用六面體單元，可以定義焊點(diǎn)的材料、形狀、直徑以及焊核網(wǎng)格精細(xì)程度。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)體單元為圓柱狀，與焊核形狀接近，能較為真實(shí)的模擬焊點(diǎn)。缺點(diǎn)：需要局部的網(wǎng)格細(xì)化，增加了網(wǎng)格數(shù)量和建模難度。

實(shí)體單元

實(shí)體單元受力模型

實(shí)體單元焊點(diǎn)受力如上圖所示，彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切參數(shù)控制焊點(diǎn)的失效。普通的梁單元跟每層殼單元僅有一個節(jié)點(diǎn)接觸，只能傳遞垂向力，而不能傳遞扭矩，無法模擬焊點(diǎn)的真實(shí)受力。這是梁單元沒有實(shí)體單元模擬精度高的原因。

殼單元和六面體單元共節(jié)點(diǎn)連接。優(yōu)點(diǎn)：模擬精度高。缺點(diǎn)：殼單元網(wǎng)格需對應(yīng)，網(wǎng)格質(zhì)量要求很高。

Brick單元

是一種組合單元焊點(diǎn)模型，由六面體單元HEXA和連接單元RBE3構(gòu)成。上下兩層板之間建立一個六面體模擬焊核，六面體各個節(jié)點(diǎn)通過RBE3單元與上下兩層板四個節(jié)點(diǎn)連接。焊核的載荷通過RBE3單元傳遞到殼單元，載荷大小由RBE3權(quán)重決定。優(yōu)點(diǎn)是：可以精確的模擬焊點(diǎn)的位置，焊點(diǎn)模型不依賴與附近的網(wǎng)格形式，建?？旖荨Ｈ秉c(diǎn)是：引入了實(shí)體單元，計(jì)算量大。

ACM2單元

表1 不同焊點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)匯總

兩層薄板搭接部分采用單層殼單元。即劃分網(wǎng)格時，對焊點(diǎn)周圍的金屬板作整體考慮，將焊點(diǎn)所連接的板件通過殼單元連接，殼單元的厚度與相連的金屬板厚相同。

將搭接位置的兩層板厚等效為一層板厚，即用一層金屬板模擬兩層通過焊點(diǎn)連接的金屬板。等效厚度依據(jù)下式計(jì)算。

采用公共節(jié)點(diǎn)連接上下兩層金屬板的焊點(diǎn)，保留搭接部分的上下兩層殼單元。公共節(jié)點(diǎn)法，建模時間較短，精度比方法1和方法2高一些，推薦采用。

有研究分別采用了1個、5個、8個梁單元模擬焊點(diǎn)，研究表明：5個和8個梁單元模擬精度要比1個梁單元低，原因可能是多個梁單元會增加局部的剛度，使固有頻率變大；多個梁單元的建模時間比1個梁單元要長。所以，無論是從精度和效率上來講，單個梁單元是焊點(diǎn)模擬的最佳選擇。

為了對比6種焊點(diǎn)模擬方式的差異，以帽型梁為模型，建立不同焊點(diǎn)的有限元模型。采用六種焊點(diǎn)模擬方法對帽型梁焊點(diǎn)建模，對比不同焊點(diǎn)對自由模態(tài)的固有頻率的影響，依據(jù)參考文獻(xiàn)中的模態(tài)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行焊點(diǎn)評價。焊點(diǎn)評價采用模擬精度和建模時間兩個指標(biāo)。帽型梁共有20個焊點(diǎn)，焊點(diǎn)直徑5mm，焊點(diǎn)間距為50mm。焊點(diǎn)的有限元模型如下圖所示。

說明：六個模型的焊點(diǎn)位置、焊點(diǎn)直徑完全一致，對實(shí)體單元和Brick單元的有限元模型進(jìn)行了細(xì)化，暫且認(rèn)為網(wǎng)格精細(xì)程度對模態(tài)求解影響不大。

1） 剛性梁單元和可變形梁單元前三階固有頻率相近，在不發(fā)生焊點(diǎn)斷裂的前提下，二者模擬效果相似。

2） 實(shí)體單元和ACM2單元前二階固有頻率較為接近，第三階相差較大。也可能是網(wǎng)格的差異引起的。

3） 與參考文獻(xiàn)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)相比，模擬精度從高到低依次是：實(shí)體單元→Rrick單元→Cweld→ACM2單元→可變形梁單元→剛性梁單元

建模效率由高到低依次是：剛性梁單元→可變形梁單元→Cweld單元→ACM2單元→Brick單元→實(shí)體單元

綜合來看，實(shí)體單元和Brick的模擬精度最高，可模擬焊點(diǎn)的失效，但是建模時需要細(xì)化網(wǎng)格，建模效率低，不適合有大量焊點(diǎn)的白車身點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)建模中。剛性梁單元和可變形梁單元需要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)的垂直連接，對焊點(diǎn)附近的網(wǎng)格協(xié)調(diào)性要求很高，大大增加了網(wǎng)格劃分的難度。Cweld單元和ACM2單元不受網(wǎng)格協(xié)調(diào)性的限制，且模擬精度高、建模時間短，可設(shè)置焊點(diǎn)的失效，推薦采用。但是，ACM2單元引入了實(shí)體單元，計(jì)算時間比Cweld單元模型要長。另外，Cweld單元和ACM2單元的缺陷表現(xiàn)在以下方面：

1）ACM2單元中的實(shí)體單元每一個節(jié)點(diǎn)通過四個RBE3單元與殼單元相連，會占用過多的殼單元，例如：螺栓孔通常先建立一層washer，假設(shè)washer上的節(jié)點(diǎn)別RBE3占用，再使用bolt單元創(chuàng)建螺栓連接可能會出現(xiàn)創(chuàng)建失敗現(xiàn)象。

2）Cweld單元對所連接的上下兩層薄板的夾角有限制，兩層薄板之間的夾角默認(rèn)不能超過20°。

3）Cweld單元無法對稱復(fù)制，而ACM2單元可以對稱復(fù)制，可用以減小建模工作量。

綜合考慮精度和效率，焊點(diǎn)較多的白車身或電池包殼體，適合優(yōu)先采用Cweld單元、ACM2單元、可變形梁單元。根據(jù)不同部位對焊點(diǎn)精度和效率的需要，采用多種焊點(diǎn)對車身進(jìn)行連接。