汽車尾燈支架裝配變形的數(shù)值模擬與驗(yàn)證

王鵬，羅帥，姜偉民

汽車尾燈支架裝配變形的數(shù)值模擬與驗(yàn)證

王鵬，羅帥，姜偉民

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

深入研究汽車尾燈裝配變形，建立可以精確預(yù)測(cè)尾燈裝配變形的有限元方案。通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)法研究了尾燈緊固過(guò)程中鈑金支架的變形情況，獲得了支架上關(guān)鍵位置的變形規(guī)律。引入有限元仿真分析方法，建立了全工況有限元仿真分析模型，對(duì)尾燈裝配的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。獲得了裝配后鈑金變形量的預(yù)測(cè)值，通過(guò)對(duì)3類尾燈的裝配過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)比實(shí)際測(cè)量的鈑金支架變形數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該模型能夠較為精確地預(yù)測(cè)尾燈裝配中的變形誤差。提出了尾燈裝配定位基準(zhǔn)與螺栓緊固點(diǎn)分離的解決方案，從設(shè)計(jì)上有效避免了新車型尾燈裝配超差問(wèn)題的產(chǎn)生。

汽車尾燈；數(shù)字圖像相關(guān)法；計(jì)算機(jī)輔助工程分析；裝配變形；誤差控制

隨著汽車工業(yè)的智能化與自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，整車從設(shè)計(jì)到完成批量生產(chǎn)的時(shí)間被大量壓縮，許多設(shè)計(jì)問(wèn)題往往需要等到樣車試制階段才能被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而產(chǎn)生了高昂的模具更改費(fèi)用。為此需引入先進(jìn)的分析方法，例如在車頂焊接[1]、橡膠管卡箍變形[2]等較復(fù)雜工況的研究中使用非線性有限元仿真，提前識(shí)別汽車零部件的設(shè)計(jì)缺陷，以節(jié)省大量的時(shí)間與開(kāi)發(fā)費(fèi)用。對(duì)于汽車車燈，多數(shù)學(xué)者開(kāi)展了針對(duì)車燈本身的造型設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)以及注塑工藝改進(jìn)的相關(guān)研究。馮鈺濤[3]通過(guò)CAD/CAE研究了尾燈的設(shè)計(jì)與制造，優(yōu)化改進(jìn)了車燈設(shè)計(jì)中的凝霧現(xiàn)象。葉盾[4]通過(guò)力學(xué)分析了汽車車燈卡扣的寬度和高度對(duì)其力學(xué)性能的影響，獲得了最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。唐杰等[5]通過(guò)CAE模擬仿真確定了汽車燈罩的最佳澆口位置及工藝參數(shù)。這些研究對(duì)零件本身進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，但在整車的生產(chǎn)制造中，許多質(zhì)量缺陷在零件與零件安裝配合后才能被識(shí)別，這類缺陷的辨識(shí)是非常困難以及滯后的，如何提前辨識(shí)出此類質(zhì)量缺陷是擺在眾多工程師面前的難題。周煒等[6]針對(duì)白車身門(mén)、框匹配問(wèn)題，提出了在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下，利用三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確檢測(cè)零件質(zhì)量問(wèn)題。陳強(qiáng)等[7]通過(guò)有限元方法研究了轎車尾燈區(qū)域螺母裝配過(guò)程中裝配力和裝配順序引起的裝配偏差規(guī)律，有力指導(dǎo)了實(shí)際生產(chǎn)。劉文杰等[8]借助Autoform軟件對(duì)汽車縱梁進(jìn)行沖壓成形模擬和回彈補(bǔ)償模擬，經(jīng)過(guò)多次回彈補(bǔ)償，將零件的最大回彈由補(bǔ)償前的13 mm減小至±0.5 mm以內(nèi)。

在汽車尾燈設(shè)計(jì)中，除了必要的外觀造型要求之外，其與后舉門(mén)之間的尺寸匹配質(zhì)量是整車制造的重要關(guān)注點(diǎn)，圖1a展示了汽車尾燈與后舉門(mén)之間需要滿足的尺寸匹配技術(shù)要求，其中間隙要求如下：公差為±0.8 mm，一致性為1 mm；平整度要求如下：公差為±0.8 mm。由圖1b可知，尾燈通過(guò)螺柱緊固在汽車后舉門(mén)的鈑金支架上，在尾燈與支架之間裝配著一圈泡棉，起到密封和防水的作用。圖1c為汽車尾燈結(jié)構(gòu)，其定位結(jié)構(gòu)有螺柱基座、尾燈掛鉤和定位銷，其中螺柱基座和掛鉤用于尾燈安裝時(shí)前后方向定位，定位銷用于尾燈安裝時(shí)高低和左右方向定位，定位結(jié)構(gòu)決定了尾燈裝配質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。雖然尾燈的設(shè)計(jì)有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，但由于安裝時(shí)零件與零件之間相互作用力的影響，時(shí)常導(dǎo)致尾燈安裝后產(chǎn)品質(zhì)量超差。針對(duì)此類問(wèn)題，目前的解決方案多為根據(jù)工程師以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性分析，以此作為設(shè)計(jì)依據(jù)，零件制造出來(lái)后再進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，如果出現(xiàn)問(wèn)題，就從設(shè)計(jì)、工藝等角度尋找補(bǔ)救方案，這一流程會(huì)產(chǎn)生較大的費(fèi)用。為此，文中通過(guò)引入CAE分析方法，對(duì)汽車尾燈裝配過(guò)程進(jìn)行全工況有限元仿真，建立了可準(zhǔn)確識(shí)別尾燈安裝缺陷的CAE分析方法，從而在汽車尾燈設(shè)計(jì)的早期就可以辨識(shí)安裝缺陷，減少后續(xù)制造裝配階段的返工。

圖1 汽車尾燈示意圖

1 材料性能及鈑金變形量的測(cè)定

材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響有限元分析結(jié)果的精度。對(duì)于汽車尾燈裝配的全工況CAE仿真，其裝配誤差要求是不大于0.1 mm，因此正確獲取材料性能參數(shù)十分重要。汽車尾燈在安裝過(guò)程中涉及的變形材料有泡棉和鈑金支架，尾燈燈體自身在裝配過(guò)程中的變形可以忽略不計(jì)。

1.1 鈑金及泡棉的力學(xué)性能測(cè)量

泡棉屬于橡膠類材料，具有復(fù)雜的力學(xué)性能，一般采用超彈性應(yīng)變勢(shì)能函數(shù)描述其力學(xué)性能[9]。泡棉在尾燈的裝配過(guò)程中主要產(chǎn)生壓縮變形。根據(jù)GB/T 2941—2006和ASTM D1095—2014，設(shè)計(jì)了測(cè)定泡棉壓縮力學(xué)性能的試驗(yàn)。在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，壓縮速度設(shè)置為10 mm/min。泡棉試樣尺寸為：直徑（29±0.5）mm，厚度12 mm，當(dāng)產(chǎn)品厚度不夠時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可采用疊加的方式。試驗(yàn)所取的試樣形狀、尺寸、位置及獲得的工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖2a所示。對(duì)于鈑金支架，則進(jìn)行拉伸性能的測(cè)定，試驗(yàn)所取的試樣形狀、尺寸、位置及獲得的真實(shí)應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖2b所示。

1.2 鈑金支架變形量測(cè)量

為研究鈑金支架在螺柱緊固過(guò)程中的變形情況，采用數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation，DIC）[10]對(duì)緊固過(guò)程進(jìn)行位移場(chǎng)捕捉。如圖3a所示，DIC設(shè)備的高速相機(jī)不斷地對(duì)尾燈緊固過(guò)程進(jìn)行拍攝，通過(guò)對(duì)比變形結(jié)束與初始的圖片，得出鈑金支架的變形情況，變形量為正值表示支架的變形方向是車輛前部。如圖3b所示，受泡棉壓縮反力的影響，鈑金支架中部拱起，朝車前變形0.6 mm，螺母孔處的鈑金受螺栓預(yù)緊力的影響，朝車后變形0.9 mm。螺母孔處的鈑金與尾燈前后方向的定位結(jié)構(gòu)（螺柱基座）配合，鈑金變形直接使尾燈空間位置發(fā)生變化，進(jìn)而影響尾燈與后舉門(mén)的尺寸配合。如圖3c和d所示，提取螺母孔附近關(guān)鍵點(diǎn)的位移，得到關(guān)鍵點(diǎn)在緊固過(guò)程中的位移變化情況，可以發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1與點(diǎn)3之間的位移差即為螺母孔處的鈑金變形量，這是因?yàn)辄c(diǎn)3位置的鈑金支架剛性較強(qiáng)，在螺母緊固過(guò)程中僅發(fā)生剛性位移，而螺母孔處的鈑金受預(yù)緊力的影響同時(shí)發(fā)生變形位移和剛性位移。

圖2 材料力學(xué)性能曲線

圖3 DIC測(cè)量結(jié)果

2 CAE析模型的建立

如圖4a所示，尾燈的安裝過(guò)程是尾燈掛鉤首先卡接于鈑金支架，然后以尾燈掛鉤為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)尾燈，使定位銷和螺柱穿過(guò)支架的安裝孔，最后用緊固螺母固定尾燈。為提高分析精度和簡(jiǎn)化CAE分析時(shí)載荷的施加，文中提出如下的尾燈裝配全工況CAE仿真分析方法。

實(shí)際安裝過(guò)程是鈑金固定，移動(dòng)尾燈，CAE分析中為簡(jiǎn)化螺母緊固的過(guò)程，采用固定尾燈，直接對(duì)鈑金施加螺栓預(yù)緊力的分析方法。具體過(guò)程如圖4b—e所示，將尾燈CAE分析模型分為數(shù)模、初始、預(yù)壓和緊固等4個(gè)階段。如圖4b所示，在數(shù)模階段，對(duì)零件數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鈑金采用殼單元網(wǎng)格，大小設(shè)置為1～3 mm，在主要變形區(qū)采用1 mm網(wǎng)格；螺栓、泡棉、燈罩采用實(shí)體C3D8R單元，全局種子設(shè)置為0.5 mm，由于整車數(shù)模狀態(tài)下的泡棉與鈑金處于干涉狀態(tài)，無(wú)法直接進(jìn)行計(jì)算分析。如圖4c所示，在初始階段，為模擬尾燈裝配過(guò)程，調(diào)整鈑金支架與泡棉的相對(duì)位置，達(dá)到CAE計(jì)算分析的初始階段。調(diào)整的方法如下：以尾燈掛鉤為轉(zhuǎn)軸，向遠(yuǎn)離燈罩的方向旋轉(zhuǎn)鈑金支架5°左右，消除鈑金與泡棉的干涉。模型設(shè)置方面，將燈罩設(shè)置為剛體，泡棉底部與燈罩設(shè)置Tie連接，螺母與鈑金設(shè)置Tie連接，在接觸設(shè)置中，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。在預(yù)壓階段如圖4d所示，由于泡棉的壓縮仿真涉及材料非線性、邊界非線性和幾何非線性[11]，直接施加螺栓預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致計(jì)算收斂困難，故首先在鈑金支架的螺母孔處施加一個(gè)較小的力（小于100 N），使鈑金與泡棉建立平穩(wěn)的接觸關(guān)系。在緊固階段如圖4e所示，將螺栓預(yù)緊力施加在鈑金支架的螺母孔處，仿真分析鈑金支架在打緊過(guò)程中和打緊之后的變形情況。計(jì)算步設(shè)置見(jiàn)表1。

圖4 尾燈全工況CAE分析模型的建立

表1 計(jì)算步設(shè)置

Tab.1 Calculation step set

在ABAQUS中建立全工況仿真模型時(shí)，選擇合適的泡棉超彈性本構(gòu)模型十分重要[12]。李凡珠等[13]對(duì)橡膠材料進(jìn)行了循環(huán)加載的本構(gòu)關(guān)系測(cè)量實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)值擬合，發(fā)現(xiàn)采用Marlow[14]和Ogden等[15]提出的超彈性本構(gòu)方程可以更精確描述橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)泡棉的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及尾燈裝配方式，文中采用Marlow本構(gòu)模型來(lái)描述尾燈泡棉的超彈性特征。Marlow模型如式（1）所示。

式中：為單位體積的應(yīng)變能量；dev為偏應(yīng)變能量；vol為體積應(yīng)變能量；1為第一偏應(yīng)變不變量，其定義如式（2）所示。各個(gè)方向的偏應(yīng)變可以用式（3）表示。

式中：為總?cè)莘e比率；el為熱膨脹下定義的彈性容積比；λ為各個(gè)方向的主應(yīng)變。偏應(yīng)變能量可以通過(guò)單軸試驗(yàn)、等效雙軸試驗(yàn)或者平面試驗(yàn)獲得。體積應(yīng)變能量部分可以通過(guò)體積應(yīng)變?cè)囼?yàn)確定泊松比，或者通過(guò)單軸試驗(yàn)、等效雙軸試驗(yàn)或者平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)獲得。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 鈑金變形量的準(zhǔn)確識(shí)別

鈑金支架在有限元分析過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生剛性位移和變形，建立識(shí)別變形量的方法十分關(guān)鍵。如圖5所示，螺母緊固后，泡棉的壓縮力會(huì)使鈑金偏離理想位置，需要準(zhǔn)確識(shí)別相應(yīng)的鈑金變形量。如圖6所示，CAE分析模型以尾燈掛鉤為轉(zhuǎn)軸，當(dāng)沒(méi)有泡棉時(shí)，進(jìn)行全工況CAE仿真，此時(shí)與轉(zhuǎn)軸平行的平行線上所有節(jié)點(diǎn)的位移都是相同的，皆為剛性位移，螺母孔處未發(fā)生變形。當(dāng)有泡棉時(shí)，平行線上的節(jié)點(diǎn)分為變形節(jié)點(diǎn)和未變形節(jié)點(diǎn)，未變形節(jié)點(diǎn)只發(fā)生剛性位移，變形節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)生剛性位移和變形，找出變形點(diǎn)和未變形點(diǎn)，兩者的位移之差即可表示螺母孔處鈑金的變形量。在具體操作時(shí)，如圖6b所示，以旋轉(zhuǎn)軸為軸線，以鈑金螺栓孔中心到軸線的距離為半徑繪制圓柱，圓柱與螺母邊緣的交點(diǎn)為變形點(diǎn)，與鈑金大平面邊緣的交點(diǎn)為未變形點(diǎn)。

圖5 鈑金變形示意圖

3.2 實(shí)際測(cè)量與仿真結(jié)果的對(duì)比

為了驗(yàn)證CAE模型的準(zhǔn)確度，選擇了3款車型的車燈（見(jiàn)圖7）進(jìn)行CAE仿真和實(shí)物試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3款車燈進(jìn)行全工況CAE仿真，提取其中的變形點(diǎn)與未變形點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到螺母孔處的變形量，對(duì)比實(shí)際測(cè)得的變形量，Ⅰ和Ⅲ的誤差值不超過(guò)0.1 mm，Ⅱ的誤差值稍超出0.1 mm，總體上滿足工程上的精度識(shí)別要求，說(shuō)明上述開(kāi)發(fā)的全工況CAE仿真模型可對(duì)尾燈裝配變形實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，能夠提前判斷尾燈是否存在設(shè)計(jì)缺陷。

圖6 全工況CAE分析模型

圖7 3款車型的車燈

表2 3款汽車尾燈裝配后鈑金支架變形量對(duì)比

Tab.2 Comparison of deformation of sheet metal bracket of three taillights after assembly

3.3 超差原因分析及解決方案

Ⅰ、Ⅲ兩款車燈都應(yīng)用了大泡棉和以螺柱基座為定位基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)策略，在緊固螺母后，泡棉的壓縮反力和螺母的壓力使鈑金支架發(fā)生變形，導(dǎo)致尾燈偏離設(shè)計(jì)位置，引發(fā)尾燈與后舉門(mén)的尺寸匹配超差。綜合對(duì)比上述有限元分析結(jié)果和相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)定位基準(zhǔn)與螺栓緊固點(diǎn)處于同一位置時(shí)，出現(xiàn)裝配超差問(wèn)題的概率較大（見(jiàn)圖8a）。如圖8b所示，在滿足造型要求的前提下，可執(zhí)行基準(zhǔn)分離策略，使螺柱僅有緊固作用。在螺柱四周設(shè)置一圈包圍結(jié)構(gòu)充當(dāng)定位基準(zhǔn)，這樣螺母孔處的鈑金變形就不會(huì)影響整個(gè)尾燈的定位。

圖8 定位基準(zhǔn)與緊固點(diǎn)分離

4 結(jié)論

在深入研究尾燈實(shí)際安裝變形超差問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建立了一種識(shí)別尾燈裝配變形的全工況CAE仿真分析模型。采用該模型進(jìn)行了3款車燈裝配變形的有限元仿真分析，結(jié)果表明，該CAE分析模型能夠在設(shè)計(jì)的早期較為精確地預(yù)測(cè)尾燈裝配超差缺陷，預(yù)測(cè)裝配誤差與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際誤差總體吻合，有效發(fā)現(xiàn)了潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了項(xiàng)目成本。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了尾燈裝配定位基準(zhǔn)與螺栓緊固點(diǎn)分離的解決方案，在螺柱四周新設(shè)計(jì)一圈包圍結(jié)構(gòu)充當(dāng)定位基準(zhǔn)，從設(shè)計(jì)上有效避免了新車型尾燈裝配超差問(wèn)題的產(chǎn)生。

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Numerical Simulation and Experimental Verification of Assembly Deformation of Automobile Tail Lamp Sheet Metal Bracket

WANG Peng, LUO Shuai, JIANG Wei-min

(Vehicle Manufacturing Engineering, SAIC-GM, Shanghai 201206, China)

The tail lamp assembly deformation is deeply studied, and the finite element scheme which can accurately predict the tail lamp assembly deformation is established. Through the digital image correlation method, the deformation of the sheet metal bracket during the fastening process of the tail lamp is studied, and the deformation law of the key position on the bracket is obtained. The finite element simulation analysis method is introduced to establish the full condition finite element simulation analysis model. The numerical simulation of the whole process of tail lamp assembly is carried out, and the predicted value of sheet metal deformation after assembly is obtained. Through the simulation analysis of three types of tail lamp assembly process, compared with the actual measured deformation data of sheet metal bracket, the model can accurately predict the deformation error of tail lamp assembly.On this basis, the solution of separating the tail lamp assembly positioning datum from the bolt fastening point is further proposed, which effectively avoids the problem of out of tolerance in the new model tail lamp assembly.

tail lamp; digital image correlation; CAE analysis; assembly deformation; error control

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.009

U463

A

1674-6457(2022)05-0055-06

2021–06–21

部門(mén)咨詢費(fèi)項(xiàng)目

王鵬（1981—），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠囍圃臁?/p>

責(zé)任編輯：蔣紅晨