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Weld单元的工程应用及存在问题的解决 |
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作者：上海宇航系统工程研究所 秦川 董寻虎 |
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摘 要：本文介绍MSC. Patran 的Spot Weld 焊接单元在工程中的应用，对ELEMID 和ELPAT 类型的焊接单元在模型导入时出现的问题提出了解决意见，对焊接单元和MPC 做了比较。
关键词：焊接单元 PARTPAT MPC
1 引言
MSC.Patran 是CAE 分析软件MSC. Nastran 的前处理软件，其中提供的Spot Weld 单元为处理部件连接问题提供了方便，本文的主旨是焊接单元的工程应用及技巧。
2 焊接单元简介
结构刚度的精确模拟是动态分析的关键，其中最大的难点是结构部件连接刚度。在焊接单元产生之前，Nastran 提供了多种模拟结构连接的方法：CBUSH、CBAR、RBAR、RBE2、RBE3 等。这些方法往往数据复杂，无法保证刚体运动的一致性，当连接的截面积超过连接部位特征单元面积的20%时，计算结果不准确，对连接的节点位置要求较高，增加了网格划分难度。从MSC.Nastran 2003 开始，Nastran 增加了新的连接单元CWeld、CFast，使用方便，计算结果足够精确。目前焊接单元在航空、汽车、船舶、土木等领域得到广泛。MSC.Patran 中提供了五种形式的焊接单元：PARTPAT，ELPAT，ELEMID，GRIDID 以及ALIGH。
3 PARTPAT 焊接单元的优点
PARTPAT 形式的焊接单元是按属性连接的单元，通过上下两种不同属性的材料建立层间的焊接，并由定义的投影点自动搜寻周围的点建立焊接单元，如果投影点是图1 左图所示，则焊接单元由投影点附近的3*3 或更多个节点构成；如果投影点是图1 右图所示,位于单元中央，则焊接单元由投影点附近2*2 个节点构成[1] 。通过连接面材料属性自动投影生成焊接单元只要投影点对应面网格划分合理，特别适合大量处理板单元连接问题。
图1 PARTPAT 形式的焊接单元模型
焊接单元的焊接点通过三种形式指定①GS ②GA、GB ③XS、YS、ZS 指定。对于该形式的焊接单元，在两层单元PIDA, PIDB 确定的情况下，指定焊点位置即可实现焊接单元批处理。在MSC. Patran 中，创建point 形式或node 形式的投影点均可。表1 PARTPAT 焊接单元特性
 4 应用实例
航天中太阳电池阵电源系统由太阳电池阵、蓄电池组和电源控制设备组成。其中平铺式太阳电池阵将光能转换成电能，其中焊接点较多。某太阳电池阵模型由8 块单体电池和基板连接而成，如图2 所示。
图2 有限元模型及投影点
子板由3 块小板构成，子板与基板通过耳片连接，模型网格采用SHELL 单元。其中子板内的连接点总数为192，在子板连接处附近产生192 个几何点，投影一次性自动生成192 个焊接单元，如图3 所示。耳片处的连接用相同方法生成。如果用CBUSH、CBAR、RBAR、RBE2、RBE3其中一种建立连接，需要调整节点位置，费时费力。同时，PWELD 中MID，D 分别设定了焊接单元的材料和几何，方便调整模型连接刚度，更加接近产品真实情况。所以，运用焊接单元实现模型各部分的连接，具有操作简单快捷和较高的模拟精度等特点。
图3 焊接单元
图4 为电池阵模型前４阶模态。
图 4 模型前4 阶模态
5 Patran 中处理ELEMID 和ELPAT 的问题
ELEMID 和ELPAT 这两种形式的焊接单元均是以板单元号标示连接关系，处理个别的焊接单元较为方便。SHIDA, SHIDB 是上下两层板单元的ID。
工程中大型模型组装时，对重复出现的模型采取如下步骤：
1）单个部件模型 . bdf 文件的重复导入。
2）对导入模型的移动。
对PARTPAT 类型的焊接单元模型，重复导入时模型的节点、单元会自动更新，材料、单元属性会重新命名。尽管会出现单元重复警告信息，不会产生错误。但是对于2010 版本及之前的版本而言：“ELEMID”和“ELPAT”形式的焊接单元却会出现如下问题：
焊接单元没法导入。
在Patran 中可以看到焊接单元，但在提交Nastran 运算时，错误提示：
“新焊接单元的GS 点在ID 为SHIDA 和SHIDB 的单元面上无法投影。”
新导入模型后，原来模型的焊接单元消失，出现在新模型中。
第一个问题是由于大型的模型需要重复导入.bdf 文件，需要注意Global Model Tolerance的值，默认值为0.005。焊接单元的直径的有效位往往在0.001 之后，需调整容差值方可使焊接单元正确导入。
第二个问题是由于新旧模型中焊接单元对应的单元ID 号相同，SHIDA1=SHIDA2, SHIDB1=SHIDB2。新焊接单元处的节点GS2 在SHIDA2 或者SHIDB2 处投影出现错误。
第三个问题是由于旧模型的板单元号变化，而新模型的板单元号仍是.bdf 中的SHID 号，新焊接单元在SHID 上投影，与旧焊接单元的属性相同，旧焊接单元被新焊接单元代替。
针对以上问题，建议采取以下措施：
在导入含有焊接单元的模型时，重新设置Global Model Tolerance 的值。
Renumber 旧模型的单元号、节点号。
比如原来模型中最大单元号为n1,最大节点号为n2，Renumber 时从n1+1、n2+1 开始，保证新旧模型不冲突。
3）在导入新模型时，设置Offset=0。
这样保证了新模型中需焊接的板单元的ID 号不变，Patran 按照 .bdf 中的参数寻找到需焊接的单元，进而建立连接。
4）Renumber 旧模型中Connector 单元号。
以上处理，使新旧模型的关系清晰，使模型的管理得到改善。以上问题及处理方法对Fastener 单元同样适用。
6 与RBE2 单元的比较
如图5、6 所示为电池阵子板，其中图5 中3 块小板通过Mpc 连接，图6 通过焊接单元连接。
图5 Mpc 连接
图6 Cweld 连接
在板壳模型中，采用焊接单元比采用RBE2 单元耗时少，连接刚度变化范围宽，可通过更改焊点数和焊接单元半径更改连接刚度，也可通过重新划分网格，比如将板单元分割，连接小单元建立焊接单元。另外，当RBE2 单元与连接面的法线方向超过30o 时，其模拟结果的精确度不高，在划分有限元网格时需注意连接节点的对齐问题；而CWELD 单元可以通过点对点、点对面、面对面连接，适用性好[2]。
表3 列出模型采用不同连接，边界自由的频率值。同时，模型中焊接单元与RBE2 单元均是将周围18 个点关联，单元个数均是24 个。由表3 可见，相比于RBE2 单元的刚性连接，焊接单元的连接刚度偏小，如需增加刚度，可更改单元的材料和直径。表3 两种连接方式的比较
 7 结论
Spot Weld 单元应用方便，特别是通过属性建立连接的PARTPAT 形式的焊接单元，在设置好投影点的情况下，短时间内即可建立大量的焊接单元。适合处理航空航天、汽车行业大模型中焊点较多的模型。
ELEMID 和ELPAT 形式的焊接单元以及Fastener 单元中存在的三个问题，可以通过有效的途径得到解决。步骤简单，同时优化了模型的管理。对于这些问题，可以通过进一步的开发得到自动化的解决。
本论文的模型中，在连接点和关联点相同的情况下，RBE2 单元比Weld 单元的连接刚度大。一般地，建立Weld 单元比RBE2 单元用时少，参数变化范围宽，对模型的适用性好。
参考文献
[1] MD Nastran R3 Documentation 2008
[2] 王玉超，王力，宋俊.利用CWELD 和RBE2 模拟焊点模态及刚度分析[J].现代制造工程,2009,4: 116-118(end)
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(2/15/2011) |
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