基于有限元虛擬評估的車身后端板預(yù)裝搭扣尺寸優(yōu)化

張悅，沈琪，石文，甘志剛，姚舜文

基于有限元虛擬評估的車身后端板預(yù)裝搭扣尺寸優(yōu)化

張悅，沈琪，石文，甘志剛，姚舜文

（上汽通用汽車有限公司，上海 201201）

在車身工藝同步工程階段采用有限元虛擬評估方法，對后端板預(yù)裝搭扣進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)裝零件在運(yùn)輸過程中存在掉落風(fēng)險(xiǎn)。通過對預(yù)裝搭扣進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使其滿足制造要求。通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段提前識別制造質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，避免零件后期更改造成的修模等制造成本的增加，從而達(dá)到提升制造質(zhì)量、降低制造成本的目的。

有限元；車身；后端板；預(yù)裝搭扣；尺寸優(yōu)化

引言

隨著工業(yè)4.0以及中國制造2025的提出，制造技術(shù)的提升已經(jīng)越來越關(guān)系到國家創(chuàng)新水平整體的提高，關(guān)系到整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)作為智能制造的重要技術(shù)突破領(lǐng)域，其對于整車制造技術(shù)的提升正在發(fā)揮越來越重要的作用。同時(shí)消費(fèi)者對轎車質(zhì)量的要求越來越高，如何運(yùn)用創(chuàng)新突破傳統(tǒng)質(zhì)量提升瓶頸是汽車業(yè)面對的重要課題。

同步工程是將整個(gè)開發(fā)、工程、制造等階段進(jìn)行“頂層設(shè)計(jì)”，把研發(fā)、試驗(yàn)、試制、制造、工藝、質(zhì)量等環(huán)節(jié)系統(tǒng)性地結(jié)合起來，將沖壓、焊接、涂裝、總裝等問題提前至設(shè)計(jì)階段，開發(fā)人員和工程人員協(xié)同處理，使產(chǎn)品研發(fā)和后期的工藝實(shí)施、商品化等實(shí)現(xiàn)無縫對接，消除重大工程問題，達(dá)到降低的開發(fā)周期及成本的目的[1]。

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展和車身智能制造的要求，有限元技術(shù)已逐漸應(yīng)用于車身制造中的各種工況。通過在工藝同步工程中有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用，便于提前識別制造復(fù)雜工況下的零件變形造成的制造質(zhì)量問題，文獻(xiàn)[2]介紹了有限元仿真技術(shù)在車身制造中的各種應(yīng)用工況，并簡單介紹了預(yù)裝有限元分析的應(yīng)用。

本文在車身工藝早期同步工程階段，通過對車身制造過程中后端板預(yù)裝搭扣進(jìn)行仿真分析，對制造質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前識別，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果，對搭扣尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果提出了搭扣改進(jìn)意見，指導(dǎo)了零件設(shè)計(jì)。

1 后端板預(yù)裝

根據(jù)不同車型的裝配順序和工藝布局、節(jié)拍等的要求，車身制造過程中往往需要將一些零件或總成通過搭扣預(yù)裝在車身上，然后通過機(jī)運(yùn)傳輸至后續(xù)的定位焊工位進(jìn)行焊接，比如車身側(cè)圍，落水槽，后端板，車頂橫梁等。如下圖1所示，為某車型后端板通過4個(gè)搭扣與車身本體進(jìn)行預(yù)裝，由于后端預(yù)裝搭扣受力方向與車身運(yùn)輸方向?yàn)橥粋€(gè)方向，因此在后端預(yù)裝后并且和車身本體沒有焊接之前，后端板只通過搭扣受力在工位之間通過機(jī)運(yùn)傳輸，在傳輸過程中會(huì)經(jīng)歷加速，減速甚至急停等工況，如果搭扣強(qiáng)度不足以支撐零件的運(yùn)輸或自重慣性，將造成搭扣在運(yùn)輸中變形，嚴(yán)重時(shí)引起后端板運(yùn)輸過程中掉落，甚至引起生產(chǎn)線設(shè)備停機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)。因此搭扣的設(shè)計(jì)對于零件預(yù)裝的可靠性具有重要的影響。

圖1 某車型后端板預(yù)搭扣布置

傳統(tǒng)的評估方法依靠經(jīng)驗(yàn)對搭扣的設(shè)計(jì)進(jìn)行評估，這不但依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，且可靠性不高，容易造成質(zhì)量問題遺留到產(chǎn)品實(shí)物驗(yàn)證階段，從而引起零件修模等制造成本的增加。同時(shí)，隨著現(xiàn)代車型設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和多樣性增加，每個(gè)車型零件總成的質(zhì)量分布不同，并且不同生產(chǎn)工廠節(jié)拍不同造成機(jī)運(yùn)速度的不同，這些因素導(dǎo)致對預(yù)裝零件的搭扣設(shè)計(jì)依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效評估的難度增加。因此，迫切需要通過理論的數(shù)值模擬方法對預(yù)裝搭扣在工藝同步工程階段進(jìn)行可靠性評估，從而在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段識別制造質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，通過對產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化，避免零件后期更改引起制造成本的增加，提升了設(shè)計(jì)的可靠性。

2 預(yù)裝有限元虛擬評估

后端板預(yù)裝有限元虛擬仿真需要評估零件在機(jī)運(yùn)加速、急停等瞬間動(dòng)態(tài)過程的變形及應(yīng)力情況，因此采用適合動(dòng)態(tài)分析的有限軟件Ls-dyna進(jìn)行求解。在同步工程中，通過與產(chǎn)品開發(fā)部門協(xié)同，獲取產(chǎn)品性能分析的有限元網(wǎng)格模型?？紤]到評估對象主要為后端板，為提升計(jì)算效率，在保證后端板接觸邊界的前提下，采用后部截?cái)嗄Ｐ瓦M(jìn)行分析求解，如下圖2所示。

預(yù)裝搭扣有兩種狀態(tài)，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)和制造狀態(tài)，如下圖3和4所示。設(shè)計(jì)狀態(tài)即搭扣零件沖壓成形后的狀態(tài)，制造狀態(tài)即搭扣完成預(yù)裝后的狀態(tài)。預(yù)裝有限元虛擬仿真需評估后端板預(yù)裝完成后運(yùn)輸過程的穩(wěn)定性，因此，需將搭扣產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換到制造評估模型，可通過有限元前處理軟Hypermesh直接對網(wǎng)格進(jìn)行編輯完成模型處理，同時(shí)為準(zhǔn)確模擬搭扣制造狀態(tài)，需保證搭扣與后端板處于正好接觸且不干涉的狀態(tài)。模型處理好之后，根據(jù)實(shí)際制造過程完成模型中邊界條件的建立，包括搭扣與后端板的接觸和相關(guān)接觸參數(shù)的設(shè)置以及運(yùn)輸速度曲線的輸入。

圖2 預(yù)裝有限元模型

圖3 搭扣產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)

圖4 搭扣產(chǎn)品制造狀態(tài)

通過將上述模型提交至Ls-dyna計(jì)算求解，可得到預(yù)裝搭扣以及后端板在運(yùn)輸過程中的應(yīng)力和位移分布，如下圖5和6所示。由下圖5可知，預(yù)裝模型在運(yùn)輸過程中最大應(yīng)力達(dá)547.6MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在搭扣位置，該應(yīng)力已超出搭扣材料的屈服極限420MPa；而通過圖6位移云圖可知，后端板最大位移可達(dá)97.4mm，且后端板已搭扣已經(jīng)脫離。綜上，根據(jù)零件的應(yīng)力和位移云圖綜合判斷，后端板通過搭扣預(yù)裝后在運(yùn)輸過程中存在掉落風(fēng)險(xiǎn)，需通過進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化避免該風(fēng)險(xiǎn)在后續(xù)產(chǎn)品實(shí)物驗(yàn)證中發(fā)生。

圖5 預(yù)裝模型應(yīng)力云圖

圖6 預(yù)裝模型位移云圖

3 預(yù)裝搭扣尺寸優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果和產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，考慮到上部搭扣對于后端板的支撐作用更明顯，對上圖1所示的1號搭扣和4號搭扣進(jìn)行尺寸優(yōu)化，搭扣尺寸由之前的12*15mm優(yōu)化至20*15mm，如下圖7所示。同時(shí)，針對優(yōu)化后的搭扣進(jìn)行有限元仿真校核，通過模型的修改及有限元重新計(jì)算求解，可得出優(yōu)化后的預(yù)裝模型應(yīng)力云圖和位移云圖，如下圖8和9所示。由下圖8可知，預(yù)裝模型在最大應(yīng)力達(dá)207.5MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在搭扣位置，該應(yīng)力未超出搭扣材料的屈服極限420MPa；通過圖9位移云圖可知，后端板運(yùn)輸過程中最大位移20.8mm，且后端板未脫離搭扣，零件未發(fā)生塑性變形，后端板完成運(yùn)輸后將回到初始位置。因此，搭扣尺寸優(yōu)化后，后端板運(yùn)輸過程中無掉落風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 搭扣尺寸優(yōu)化前后對比

圖8 預(yù)裝模型應(yīng)力云圖-尺寸優(yōu)化后

圖9 預(yù)裝模型變形云圖-尺寸優(yōu)化后

綜上，根據(jù)上述分析結(jié)果，可得到搭扣尺寸優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比，如下表1所示。由下表1可知，通過將1#搭扣和4#搭扣尺寸由12*15mm優(yōu)化至20*15mm后，搭扣的最大應(yīng)力由547.6MPa下降至207.5MPa，應(yīng)力降幅達(dá)62.4%；運(yùn)輸過程中后端板最大位移有90.7mm降至20.8mm，位移降幅77.1%，并且在零件設(shè)計(jì)早期消除了制造過程中零件預(yù)裝的掉落風(fēng)險(xiǎn)。

表1 搭扣尺寸優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比

4 小結(jié)

通過有限元虛擬仿真技術(shù)對制造工況的后端板搭扣預(yù)裝進(jìn)行仿真分析，提前預(yù)測零件預(yù)裝在制造中的掉落風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)仿真結(jié)果對搭扣尺寸進(jìn)行優(yōu)化，降低了制造過程中零件的應(yīng)力和變形，通過零件在設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化，達(dá)到了消除制造過程中制造質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的目的。

在工藝同步工程階段運(yùn)用有限元仿真技術(shù)，針對由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)造成的潛在的制造質(zhì)量問題進(jìn)行合理預(yù)測，并在設(shè)計(jì)早期優(yōu)化零件尺寸或結(jié)構(gòu)，對于縮短開發(fā)周期，避免在產(chǎn)品實(shí)物驗(yàn)證階段造成的質(zhì)量問題引起零件修模、物料、調(diào)試等制造成本的增加具有重要的理論指導(dǎo)意義。

[1] 李成瑤.同步工程之總裝工藝應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù),2018(2), 75-76.

[2] 陳丹丹,鄧?yán)^濤,陳錫榮,等.有限元仿真技術(shù)在車身工藝同步工程中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2017(8):69-73.

Rear End Panel Toytab Dimension Optimize Based on Finite Element Analysis

Zhang Yue, Shen Qi, Shi Wen, Gan Zhigang, Yao Shunwen

（SAIC-GM Corporation, Shanghai 201201）

Using finite element analysis for Rear End toytab dimension study in Body process simultaneous work, find potential part drop issue and lead to optimize the dimension of these toytabs, By using finite element analysis in product design phase can distinguish the manufacturing risk in advance, reduce the cost for product change in Launch phase and raise the build quality.

Finite element; Body; Rear end panel; Pre-install toytab; Dimension optimize

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.046

U462.1

A

1671-7988(2021)03-151-03

U462.1

A

1671-7988(2021)03-151-03

張悅，就職于上汽通用汽車有限公司。