基于Catia的汽車(chē)尾燈焊接風(fēng)險(xiǎn)有限元分析

成 波

（湖北法雷奧車(chē)燈研發(fā)中心有限公司，湖北 武漢 430056）

基于Catia的汽車(chē)尾燈焊接風(fēng)險(xiǎn)有限元分析

成 波

（湖北法雷奧車(chē)燈研發(fā)中心有限公司，湖北 武漢 430056）

運(yùn)用Catia對(duì)汽車(chē)尾燈進(jìn)行建模，并應(yīng)用Catia 中的GPS功能，建立其有限元分析模型，通過(guò)對(duì)尾燈焊接及安裝部位做有限元分析模擬，從理論上提供依據(jù)，確保尾燈的焊接工藝設(shè)計(jì)，能滿足焊接后焊接面不失效，不引起氣密性和水密性的問(wèn)題。

CATIA；尾燈；焊接；風(fēng)險(xiǎn)；GPS

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-115-02

引言

熱板焊，震動(dòng)摩擦焊是目前尾燈設(shè)計(jì)中常用的幾種焊接工藝。這幾種焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是焊接效率高，能夠用于大批量生產(chǎn)。目前的大部分尾燈項(xiàng)目，均使用熱板或震動(dòng)摩擦焊來(lái)做最后的總成安裝

1、焊接的失效形式及對(duì)策

焊接的失效模式多為氣密或水密測(cè)試不通過(guò)。究其原因，一般為焊接面焊接不牢或焊接面開(kāi)裂造成。根據(jù)此原因的深入分析，焊接的質(zhì)量與焊接工藝參數(shù)的調(diào)整有著密不可分的關(guān)系。除了焊接工藝，產(chǎn)品焊接面上所受應(yīng)力的狀況，亦會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

2、焊接風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)的有限元分析

2.1 尾燈的幾何模型建立

圖1 尾燈3D模型

車(chē)燈產(chǎn)品設(shè)計(jì)，多采用 CATIA作為設(shè)計(jì)軟件。CATIA本身有著強(qiáng)大的建模及有限元分析功能。故本文采用CATIA建立車(chē)燈3D模型，如圖1所示。因在實(shí)際生產(chǎn)中，有一款標(biāo)致尾燈，出現(xiàn)焊接失效，故本文借用此尾燈，作為本文分析的實(shí)例。

2.2 零件材料屬性，安裝狀態(tài)下的受力和劃分網(wǎng)格

2.2.1 零件受力及材料屬性

因尾燈產(chǎn)品的耐熱性能的要求，尾燈產(chǎn)品的材料，透鏡一般為PMMA，燈殼材料一般為 ABS或ABS/PC。

尾燈安裝到車(chē)身上，安裝螺絲的安裝力矩多為客戶指定。

本分析以客戶螺絲材料為不銹鋼，M6螺絲，安裝力矩為2Nm，安裝摩擦系數(shù)0.2，螺距1mm為例。根據(jù)計(jì)算可得，螺絲的螺釘張力為1423N。

尾燈與車(chē)身結(jié)合處，用EPDM墊圈密封，EPDM墊片壓縮量為50%時(shí)的壓強(qiáng)為0.16Mpa, 墊片接觸面積5.5cm2,墊片所受力為550X0.16=88N。

2.2.2 劃分網(wǎng)格

確定有限元單元類型對(duì)有限元分析來(lái)說(shuō)，非常重要，單元類型的選擇不僅僅影響到網(wǎng)格的合理劃分，而且關(guān)鍵是對(duì)求解的精度影響很大[1]?？紤]到車(chē)燈設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度、精度要求以及計(jì)算求解時(shí)間等實(shí)際因素，透鏡和燈殼的網(wǎng)格尺寸為2mm比較合理。為對(duì)焊接面處精確計(jì)算，焊接面和車(chē)燈定位處的網(wǎng)格尺寸處理為1mm。

2.3 邊界條件的設(shè)定

螺釘固定處，設(shè)置為剛性連接，EPDM墊片處設(shè)置為分布力81N。焊接面處設(shè)置為一般連接。車(chē)身定位系統(tǒng)為3X, 2Y, 1Z，對(duì)應(yīng)設(shè)置定位點(diǎn)的位移約束。[2]

2.4 求解及后處理

有限元模型的求解不是目的，求解得出的數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果才是所關(guān)心的。CATIA自帶GPS功能對(duì)車(chē)燈進(jìn)行靜態(tài)分析，對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行后處理。

透鏡的最大應(yīng)力為37.7Mpa小于PMMA材料的屈服應(yīng)力70Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求。燈殼有一處的應(yīng)力為50Mpa大于ABS材料的屈服應(yīng)力48Mpa, 故此處不滿足設(shè)計(jì)要求，也是零件失效處。

透鏡與燈殼焊接處，應(yīng)力最大處為25Mpa,小于燈殼材料屈服應(yīng)力48Mpa。

燈殼失效處與實(shí)際產(chǎn)品失效處一致，仿真結(jié)果能夠模擬出實(shí)際產(chǎn)品的失效狀況。

但透鏡與燈殼焊接面處的模擬結(jié)果，與實(shí)際焊接面實(shí)測(cè)結(jié)果雖然一致，但仍然出現(xiàn)失效。在生產(chǎn)線上多次調(diào)整工藝參數(shù)，仍舊無(wú)法解決失效問(wèn)題。因此，排除焊接工藝的因素，我們考慮，可能是焊接應(yīng)力的所致。因此，為了尋找到能幫助我們探測(cè)焊接風(fēng)險(xiǎn)的方法與判定標(biāo)準(zhǔn)，我們使用標(biāo)致這款尾燈，與兩款焊接正常的尾燈的實(shí)測(cè)應(yīng)力做對(duì)比。

標(biāo)致尾燈的實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果,除透鏡有偏差外，其他均一致。因此，可以推斷，焊接面處的應(yīng)力失效判定標(biāo)準(zhǔn)，不能用材料的屈服應(yīng)力極限作為判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比三款車(chē)燈，其他兩款焊接良好的車(chē)燈，焊接面處的壓力均小于3Mpa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于出問(wèn)題的標(biāo)致車(chē)燈。我們探測(cè)到，因標(biāo)致車(chē)燈與車(chē)身的連接不夠強(qiáng)，導(dǎo)致車(chē)燈上有應(yīng)力集中處超過(guò)材料的屈服應(yīng)力的情況，因焊接面與車(chē)身的間隙面差處最接近，因此，產(chǎn)品透鏡與燈殼連接處有可能受車(chē)身牽制影響，撕拉焊接面。因此導(dǎo)致應(yīng)力值比較大。實(shí)測(cè)此時(shí)的透鏡與燈殼焊接處的最大壓力，最小為10Mpa。因此，我們把判定焊接質(zhì)量是否能通過(guò)的透鏡與燈殼的焊接面的最大壓力，均定義為小于10Mpa。

3、結(jié)論

（1）應(yīng)用CATIA軟件建立了汽車(chē)尾燈的3D模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析，得到了給定參數(shù)下設(shè)置下的尾燈變形圖與應(yīng)力云圖。

（2）透鏡所受應(yīng)力小于材料的屈服極限，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

（3）燈殼所受應(yīng)力有一處大于材料屈服極限，不滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要在此處加加強(qiáng)筋對(duì)燈殼加強(qiáng)。

（4）透鏡與燈殼焊接處所受應(yīng)力均小于透鏡與燈殼的材料屈服極限，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品的多個(gè)對(duì)比，設(shè)定透鏡與燈殼判定可靠性標(biāo)準(zhǔn)為，透鏡與燈殼焊接面處最大應(yīng)力小于10Mpa。

[1] 李明志,盛選禹.CATIA有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格教程.[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 盛選禹.CATIA有限元分析命令詳解與實(shí)例.[M] 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[3] 尚福林.塑性力學(xué)基礎(chǔ).[M] 陜西:西安交通大學(xué)出版社.2011.

Based on Catia car taillight welding finite element analysis of risk

Cheng Bo
( Valeo lighting system China Technical center, Hubei Wuhan 430056）

Using Catia to modeling of car tail lights, and application of the GPS function of Catia, the finite element analysis model is established, based on the tail light welding and installation site do finite element analysis, simulation, provides the basis in theory, to ensure that the tail light welding process design, can satisfy the welding welding surface after failure, does not cause the problem of air tightness and water tightness.

CATIA; Tail lights; Welding; Risk; GPS

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-115-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.038

成波(1973-)，女,本科，職稱：初級(jí)，就職于湖北法雷奧車(chē)燈技術(shù)中心有限公司。研究方向：汽車(chē)車(chē)燈。