焊点、焊缝、螺栓、粘胶、弹簧和接触是机械结构中常用的连接手段，汽车车身上就有上千个焊点，副车架部件间使用焊缝连接，变速箱缸体缸盖间使用螺栓连接，内饰件大量使用粘胶连接，减振器靠弹簧实现缓冲，接触更是无处不在，连接件的建模极大地影响建模精度。

        仿真分析时，焊点、焊缝、螺栓、粘胶、弹簧和接触等连接关系该如何建模呢？

        连接关系建模时，遵循一个基本原则：若不关心其本身应力分布，只关心传力大小，则尽量简化模型，建议使用一维单元模拟连接关系，以减小计算量；若希望尽可能得到更准确的应力分布，尽量使用精细模型，建议使用三维实体模型。

1、焊点

       电焊一般可分为电阻焊和电弧焊两种，电阻焊是指焊接时利用柱状电极，在两块搭接工件接触面之间形成焊点的焊接方法，又称为点焊；不需要焊料，通电融化母材金属形成焊点，适用于薄板搭接连接；广泛用于汽车、高铁等行业的薄板搭接件。

        仿真分析中，一般有如下所示的两种建模方法。

方法1

        焊点一般由于数量多，一般使用简化模型，常用的焊点建模方法为如下图所示的ACM焊。中间黄色圆柱为4个六面体单元模拟焊核，焊核材料与被连接件材料相同，使用线弹性材料本构即可；红色单元为柔性的rbe3单元，连接焊核和焊接区域节点；多用于强度和刚度分析。

方法2

       更简单的方法是直接将焊接区域用刚性的RBE2单元将焊接区域的节点抓到一起，形成简化版焊点，多用于NVH分析

        针对焊点建模问题，部分车企会做两轮分析，第一轮使用柔性RBE3单元+梁单元模拟焊点，提取梁单元轴力，对于传力较大的焊点，使用方法1进行建模，对于不重要的焊点没用RBE3单元+梁单元的建模方法。

2、焊缝

        焊缝指利用电焊机的低压电流，通过焊条（电极1）与被焊件间（电极2）形成的电路，在两极间引起电弧来熔融被焊接部分的金属的焊条，使熔融的金属混合并填充接缝而形成的连接。焊缝以及热影响区会出现较大的残余应力，一般通过退火等热处理方法进行消除。

        与焊点相比，最大的区别在于需要焊料，常用焊条有E4301、E4303、E5001和E5003等，E4301中的43表示强度极限为1  面积上承受43kg的载荷，约420MPa。

        焊缝可分为如下图所示的塞焊、对接焊、正接角焊、搭接角焊和卷边焊等类型。

       仿真分析中，有如下所示三种方式模拟焊缝：壳单元+热影响区，三菱柱+柔性RBE3单元，实体焊缝；焊缝单元一般使用焊条材料参数，使用线弹性材料本构即可。

       壳单元+热影响区建模：很难通过壳单元厚度准确模拟实际焊缝的形状，因此仿真模型很难和实际几何结构完全一致；

       三菱柱+柔性RBE3单元建模：三菱柱单元和被连接件之间会有一段间隙，间隙等于被连接件厚度的一半，相比壳单元+热影响区的建模方法更接近实际情况；

       实体焊缝建模：若考虑热影响区，是最接近实际焊缝形状的建模方法，但网格数量会显著增加。

        若完全不关心焊缝位置的应力分布，可直接将焊缝连接的两块母材共节点，建模时完全忽略焊缝。

        即使能够准确地模拟焊缝的形状，也能考虑热影响区；但焊缝由于难以获取准确的材料参数，很难得到准确的应力分布；因此一般忽略焊缝区域的应力。

        焊缝疲劳仿真中，一般是基于离焊缝周围较远区域的应力计算疲劳寿命，即名义应力法；或通过单元力考虑板厚得到结构应力，基于结构应力评估焊缝寿命。

3、螺栓

       螺栓是机械行业使用最为广泛的连接方式，有限元仿真建模时，一般有三种建模方法：刚性RBE2单元直接抓螺栓孔，柔性RBE3+梁单元，去除螺纹的实体螺栓。

方法1：刚性RBE2单元

       直接使用刚性RBE2单元连接螺栓孔模拟螺栓方法最简单，此时螺栓在仿真模型中只用于传力，无法提取螺栓力，也无法考虑螺栓预紧力；使用刚性RBE2单元连接会增加螺栓连接区域的刚度，因此螺头周围的应力不准确。

方法2：柔性RBE3+梁单元

       相比方法1，柔性RBE3+梁单元模拟螺栓方法可以提取梁单元传递的载荷，使用柔性RBE3单元抓取节点不会增加刚度，梁单元上可施加预紧力，可以较为准确地模拟螺栓连接；但无法考虑螺纹的影响，因此无法得到准确的结果。

方法3：实体网格

       螺纹尺寸一般很小，若要考虑螺栓，整个螺柱网格数量太多，计算量太大，因此一般不考虑；实体螺栓可以最真实地模拟螺栓连接，可以考虑预紧力，可以模拟螺母与零件之间的摩擦，因此仿真结果最为准确；但螺栓周围一般会存在应力集中，因此大多不考虑螺栓附近的应力分布。

        螺栓预紧能有效增强连接的可靠性，但过大的预紧力会导致螺栓过载断裂，因此螺栓预紧力一般不超过屈服极限的80%。不同类型螺栓预紧力取值推荐如下：

碳钢螺栓： 

合金钢螺栓： 

4、粘胶

        粘胶可分为结构胶和非结构胶，结构胶强度高耐高温耐化学腐蚀，非结构胶正常使用时有一定强度，但在受高温或重载时性能迅速下降。

         相比焊点焊缝等连接方式，粘胶强度更低，不耐剥离，但粘胶也有明显的优势。

• 可以胶接不同性质的材料，焊接等方式很难连接两种完全不同的材料；
• 可以胶接异型、复杂部件和大的薄板结构件
• 粘胶是面连接，不易产生应力集中
• 容易实现密封、绝缘、防腐蚀

         仿真分析中，一般有三种方式模拟粘胶：实体单元+柔性RBE3单元，cohesive接触

       实体单元+柔性RBE3单元方法模拟粘胶时，中间实体单元使用粘胶材料参数，一般不考虑撕裂，因此直接使用线弹性材料本构即可。

      若要考虑粘胶撕裂，可使用cohesive单元模拟粘胶，接触参数中可设置拉力-张开距离曲线，典型曲线如下所示。

        若完全不考虑粘胶的受力和破坏，可直接将粘胶连接的两个零件共节点，建模时完全忽略粘胶。

5、弹簧

        弹簧结构本身太细，若要创建实体网格，需要划分很细的网格，数量太多，计算效率低，因此有限元分析中一般使用简化的一维弹簧单元进行模拟。

       一维弹簧可分为单向弹簧和多向弹簧。

        单向弹簧只承受轴向拉压，刚度不变时可直接设置刚度参数即可，刚度变化时可设置力-位移曲线模拟弹簧变形；多向弹簧为方便设置6个方向刚度参数，一般要求弹簧单元的两个节点重合，然后使用类似于单向弹簧的方法定义刚度参数或力-位移曲线。

6、接触

       调试非线性分析模型收敛性时，边界条件和材料参数的问题一般比较好搞定，调试到最后基本都是接触问题。

       有限元分析中，可分为线性接触和非线性接触。

线性接触

        线性接触指仿真软件中的tie连接或绑定接触，直接将接触面上的节点进行绑定，整个分析过程中主从面上的节点没有任何相对位移，接触刚度不发生变化；绑定接触多用于模拟没有相对滑动的接触对，比如过盈配合，绑定接触多用于线性静力学和模态相关工况；绑定接触主从面节点间不会发生任何相对位移，相当于接触面刚度增加，因此变形偏小。

非线性接触

        非线性接触一般可分为小滑移、有限滑移和连续滑移，如字面意思，相对滑移量逐步增加；线性工况和模态相关工况中不能使用非线性接触。

        小滑移主从面间几乎没有相对运动的，因此只在分析步开始时搜索一次接触对；有限滑移主从面间相对滑移量小于一个单元，每个增量步搜索一次接触对；连续滑移适用于任何接触，每个迭代步搜索一次接触，最准确，但计算量也最大，因此计算效率最低。

非线性调试思路

        对于复杂模型，一般很难一次性得到收敛结果。收敛性调试时建议按以下原则进行：

1、去除所有非线性项，将材料变成线性材料，非线性接触切换为绑定线性接触，关掉大变形，若模型能正常计算，则进入下一步；

2、定义非线性材料，若模型能正常计算，则进入下一步；

3、假如有多对接触，分多次将绑定接触切换为非线性接触，逐步调试；

4、若模型中有大变形、大转动、大滑移等，开启大变形分析；

        若发现开启大变形和不开启大变形计算结果有明显差异，大概率情况下，开启大变形的结构是相对正确的，因为开启大变形时，结构刚度会随结构变形而变化，更接近实际。

        焊点、焊缝、螺栓、粘胶、弹簧和接触等连接位置几乎都无法得到准确的应力结果，仿真分析得到的结果趋势可以参考，但具体应力大小一般不准确。