基于有限元分析的制造業(yè)成本控制

羅思穎

（廣州廣汽荻原模具沖壓有限公司，廣州 511434）

0 引言

在工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，汽車(chē)輕量化越來(lái)越成為工業(yè)可持續(xù)發(fā)展方向備受關(guān)注的焦點(diǎn)，轎車(chē)輕量化可分為車(chē)身輕量化、底盤(pán)輕量化、動(dòng)力系統(tǒng)輕量化和材料輕量化等。當(dāng)前，材料輕量化是汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化最常用的方法之一，為了降低生產(chǎn)試制過(guò)程的成本，往往采用低成本的虛擬仿真制造技術(shù)達(dá)到這一目的。虛擬仿真制造技術(shù)是以制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的系統(tǒng)建模技術(shù)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，集現(xiàn)代制造工藝、CAE等多種高新技術(shù)為一體，由多學(xué)科知識(shí)形成的一種綜合系統(tǒng)技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，虛擬制造技術(shù)是在產(chǎn)品生產(chǎn)制造前在虛擬制造環(huán)境中生成模型產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)仿真分析，進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其性能和可造性（可行性、成型性）進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整從而降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力[1]。

有限元仿真分析可用于副車(chē)架開(kāi)發(fā)過(guò)程，驗(yàn)證副車(chē)架強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、耐久疲勞等性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從根本上改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制、驗(yàn)證、調(diào)整設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)循環(huán)制造模式。副車(chē)架在汽車(chē)的整體結(jié)構(gòu)中較為復(fù)雜，且需要承受循環(huán)應(yīng)力作用，對(duì)汽車(chē)的舒適度和轉(zhuǎn)向性至關(guān)重要[2]。在完成3D數(shù)據(jù)初步設(shè)計(jì)后，焊道長(zhǎng)度及位置的確定缺乏理論依據(jù)，將會(huì)直接影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度和成本核算。

本文利用有限元分析的方法對(duì)焊道的優(yōu)化進(jìn)行驗(yàn)證，在保障產(chǎn)品模態(tài)、動(dòng)剛度及強(qiáng)度的前提下，縮減焊道長(zhǎng)度，調(diào)整分布，降低生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期。

1 焊道優(yōu)化

零件的焊接方式、夾具定位方案及裝配順序規(guī)劃等焊接工藝設(shè)計(jì)對(duì)生產(chǎn)成本有著重要影響，由于開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)工程師對(duì)焊接工藝領(lǐng)域知識(shí)面了解并非十分全面，會(huì)導(dǎo)致在ET試制過(guò)程中焊接工藝生產(chǎn)成本投資過(guò)大，在現(xiàn)行嚴(yán)峻緊張的社會(huì)環(huán)境下，成本與時(shí)間是制造型工廠生存發(fā)展的決定因素[3]。從工藝工裝角度來(lái)說(shuō)，焊道優(yōu)化可以完善零件焊接的工藝性，因此，優(yōu)化焊道成為焊接工藝中降本增效的重要方式之一。

2 焊道優(yōu)化過(guò)程

在前期數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)建模過(guò)程中遇到焊接工藝成本問(wèn)題時(shí)，首先進(jìn)行初步工程判斷，這一步需要充分和設(shè)計(jì)工程師及焊接工程師進(jìn)行溝通，盡量獲取更多的資料和數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)工藝需求，提出協(xié)調(diào)改善的意見(jiàn)和建議，既降低成本壓力，又保證了生產(chǎn)工藝性，避免模糊的直覺(jué)判斷[4]；其次再進(jìn)行有限元分析，這一步需要運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)上的判斷，決定計(jì)算的模型、規(guī)模和類(lèi)型，即使用有限元仿真軟件建立HyperMesh有限元仿真模型，進(jìn)行零件模型模態(tài)分析及強(qiáng)度分析，獲得分析結(jié)果；最后結(jié)合焊接工藝原則上優(yōu)化原焊道長(zhǎng)度的30%，保留70%，避讓關(guān)鍵焊縫，多次迭代驗(yàn)證不同工況的強(qiáng)度分析結(jié)果及模態(tài)分析結(jié)果，在滿(mǎn)足副車(chē)架力學(xué)性能要求的前提下，連續(xù)兩次迭代的目標(biāo)值相差小于給定收斂容差，輸出最終焊道優(yōu)化后的數(shù)模及分析結(jié)果，OptiStruct默認(rèn)的收斂容差是0.5%，數(shù)模獲得客戶(hù)認(rèn)可后運(yùn)用于焊接生產(chǎn)[5]。

2.1 有限元仿真模型

2.1.1 網(wǎng)格劃分

首先，導(dǎo)入幾何模型，文件格式首選STP格式，保證導(dǎo)入數(shù)模是實(shí)體；其次，從復(fù)雜的幾何體抽出中面，抽取中面后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該操作可以提高求解效率，節(jié)省大量建模時(shí)間，適用于鈑金沖壓件、帶肋的塑料件和其他厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度的零件上，但用來(lái)抽取中面的原幾何是不會(huì)改變的；最后，連接模擬焊道及標(biāo)準(zhǔn)件，焊道采用Shell單元模擬，單元類(lèi)型均為CQUAD4及CTRIA3，螺母、螺栓連接采用剛性單元連接，單元類(lèi)型為RBE2[6]。初始焊道連接總長(zhǎng)度為9 541 mm。網(wǎng)格劃分有限元模型焊道分布如圖1所示為后副車(chē)架FEM示意圖。

圖1 后副車(chē)架FEM示意圖

2.1.2 材料屬性

此款副車(chē)架所用材料均為GH420MC鋼材，材料屬性設(shè)置如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.1.3 定義邊界條件

模態(tài)采用自由邊界，因?yàn)樽杂赡B(tài)可以在一定程度上得到約束模態(tài)，從模態(tài)分析難易程度上而言，自由模態(tài)比約束模態(tài)更容易實(shí)現(xiàn)。模態(tài)分析是以描述結(jié)構(gòu)特性的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)，以了解系統(tǒng)的剛度特性[2]。動(dòng)剛度采用自由邊界，無(wú)約束，掃頻范圍為0～1 000 Hz，掃頻間隔為1，結(jié)構(gòu)模態(tài)提取20階。輸出1～500 Hz的加速度導(dǎo)納曲線，縱坐標(biāo)為dB20對(duì)數(shù)，加上兩條目標(biāo)曲線5 000 N/mm和10 000 N/mm，加載點(diǎn)的動(dòng)剛度曲線如圖2所示，動(dòng)剛度分析輸出500 Hz的等效動(dòng)剛度值，等效動(dòng)剛度值求解方程如下：

式中：Δf是單位頻率步長(zhǎng)；f為頻率；i為橫坐標(biāo)掃頻范圍；分子在500 Hz上的值是定值，為1.64×109，AREAIPIk為加速度導(dǎo)納曲線在1～500 Hz內(nèi)的面積和。

圖2 動(dòng)剛度曲線

強(qiáng)度分析則采用4個(gè)車(chē)身安裝點(diǎn)全部約束，即通過(guò)引用邊界條件去除剛體位移約束車(chē)身安裝點(diǎn)1～6方向自由度，力和力矩加載在硬點(diǎn)上，使用結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算得出應(yīng)力滿(mǎn)足材料的屈服極限[7]。

2.1.4 載荷施加

動(dòng)剛度分析過(guò)程需對(duì)安裝點(diǎn)加載頻率相關(guān)的動(dòng)載荷，而強(qiáng)度分析則根據(jù)不同工況的載荷數(shù)據(jù)對(duì)安裝點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向施加相應(yīng)的力及力矩。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1.1 模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析位移云圖削減非關(guān)鍵焊道，結(jié)合生產(chǎn)工裝工藝需求，避開(kāi)應(yīng)力集中的焊道位置，即結(jié)果云圖中顯示淺色的區(qū)域，刪減非關(guān)鍵焊道位置的網(wǎng)格，即結(jié)果云圖中顯示深色的區(qū)域，后副車(chē)架多次迭代優(yōu)化后1階扭轉(zhuǎn)和1階彎曲值結(jié)果如表2所示，1階扭轉(zhuǎn)結(jié)果云圖如圖3所示。

表2 模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化前后對(duì)比

圖3 模態(tài)分析結(jié)果云圖

2.2.2 動(dòng)剛度分析結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析位移云圖削減非關(guān)鍵焊道，結(jié)合生產(chǎn)工裝工藝需求，避開(kāi)應(yīng)力集中的焊道位置，刪減非關(guān)鍵焊道位置的網(wǎng)格，連接點(diǎn)的動(dòng)剛度一般要求主方向大于10 000 N/mm，次方向大于5 000 N/mm[8]。后副車(chē)架安裝點(diǎn)動(dòng)剛度分析結(jié)果表明，4個(gè)不達(dá)標(biāo)點(diǎn)的動(dòng)剛度均有所提高，具體數(shù)值如表3所示。

表3 動(dòng)剛度分析結(jié)果不合格數(shù)值

2.2.3 強(qiáng)度分析結(jié)果

后副車(chē)架縮減焊道100 mm，為保證性能，通過(guò)分析0.7g加速、1g前進(jìn)制動(dòng)、0.7g倒車(chē)制動(dòng)、3.5g單輪沖擊和1g右轉(zhuǎn)向這5種極限工況的強(qiáng)度校核，讀取節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變，分析在極限工況下以所得最大應(yīng)力值不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度為準(zhǔn)，若結(jié)果應(yīng)力大小低于材料的屈服強(qiáng)度，則該點(diǎn)強(qiáng)度合格。后副車(chē)架所有硬點(diǎn)強(qiáng)度結(jié)果合格，說(shuō)明在不影響副車(chē)架強(qiáng)度的前提下，通過(guò)改變焊道長(zhǎng)度可降低后副車(chē)架的制造成本。后副車(chē)架強(qiáng)度分析驗(yàn)證了5個(gè)極限工況的加載情況，結(jié)果如表4所示。

表4 強(qiáng)度分析結(jié)果優(yōu)化前后對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)新上市的某車(chē)型后副車(chē)架的焊道優(yōu)化為例，用Hypermesh軟件進(jìn)行模擬分析得出，在滿(mǎn)足客戶(hù)性能要求前提下，根據(jù)分析結(jié)果不斷進(jìn)行優(yōu)化，焊道長(zhǎng)度縮減15%，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，提高客戶(hù)的認(rèn)可度，提升公司的技術(shù)氛圍。

本文通過(guò)改變焊道長(zhǎng)度降低了副車(chē)架的制造成本，該模型說(shuō)明了利用有限元分析進(jìn)行焊道縮減的方案可行，為以后的公司降本增效的發(fā)展方向提供了一定的借鑒意義。從力學(xué)性能角度降低開(kāi)發(fā)成本還有很多優(yōu)化方式，本文是通過(guò)比較直觀的焊道優(yōu)化方法論述該結(jié)果，因此存在一定的不足。但不足的地方也是后期研究分析的最大動(dòng)力，今后會(huì)關(guān)注新技術(shù)新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并盡快掌握工藝分析知識(shí)。

此外，副車(chē)架力學(xué)性能過(guò)剩，也可從工藝制造的角度改善零件的結(jié)構(gòu)，縮短工裝開(kāi)發(fā)的周期，保證零件產(chǎn)品的精度，從產(chǎn)品的角度達(dá)到降本增效的目的。該種方法適合在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期與力學(xué)性能分析結(jié)合使用，能有效地避免不必要的工裝開(kāi)發(fā)，降低開(kāi)發(fā)周期和成本，達(dá)到事半功倍的效果。