【焊点模拟】Nastran焊点单元应用简介

1 序言

    本文将主要介绍Nastran软件中CWELD和CFAST两种焊点单元的应用背景和建模流程。如果您已经掌握了这部分功能，请直接拉到文末点个赞；如果这篇文章能够对您有些帮助，看完记得点个赞。

焊点单元示意图

2 应用背景

    在焊点模拟方面，早期的处理方式是采用CBAR、RBE2等刚性单元模拟，这种处理方式要求所焊接的两层壳单元之间节点对齐。这对网格划分有很高的要求，影响建模效率。CWELD和CFAST单元在建模时不要求单元的节点严格对齐，具有更高的效率。同时CWELD和CFAST单元对连接刚度的等效更真实，而且为研究焊点本身的强度、寿命，以及焊点优化提供条件。

3 创建流程

    CWELD和CFAST单元在创建过程中都可以通过输入点坐标的形式来定位焊点位置，但有些结构中包含成百上千的焊点，手动输入点坐标会严重影响建模效率。替代方法是根据焊点CAD模型提取焊点中心点，然后将CAD模型直接导入有限元前处理软件，最后根据几何点创建焊点单元。

外部导入焊点位置

3.1 CWELD创建流程

    在材料、壳单元特性、边界条件和焊点位置都已经定义完成后，进入焊点单元定义界面，界面及定义步骤如下图所示。

CWELD单元创建流程

    其中第10步填入的参数是焊点直径。CWELD单元实际上是一种特殊的弹性梁单元，焊点直径的意义如下图所示。

焊点直径的意义

3.2 CFAST创建流程

    CWELD单元直接根据焊点材料和焊点直径确定连接刚度，而CFAST单元有更灵活的连接刚度定义形式，包括手动输入六个刚度系数以及根据经验公式自动计算刚度系数两种方式，具体如下图所示。

手动输入刚度定义方式

经验公式自动计算刚度系数

3 仿真结果

    模型左端设置固定约束，右端施加水平方向载荷，计算并显示分析结果如下所示。

整体变形云图

平板等效应力云图

焊点等效应力云图

3 总结

    Nastran焊点单元不需要在焊点位置有匹配的节点，减小了网格划分难度，能够有效提高仿真效率。使用焊点单元一方面能够使结构整体刚度更贴合实际情况，另一方面焊点本身的强度也能够进行有效仿真。综合来说，Nastran焊点单元可以使仿真效率和精度同步提高。

    另外必须强调，本文所述的仿真分析过程没有考虑焊接工艺因素，因此没法评估残余应力和残余变形对仿真结果的影响。MSC公司的Marc和Simufact都可以对焊接过程进行仿真，因此可以提供多种考虑焊接工艺的结构仿真分析方案。