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