車身底板落位變形虛擬評估分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

郝良偉

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

當(dāng)代工業(yè)已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向智能化、現(xiàn)代化方向轉(zhuǎn)變，隨著工業(yè)4.0以及中國制造2025的提出，智能制造已成為制造業(yè)的重要發(fā)展方向。通過虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造水平的提升，是汽車行業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)面臨的重要課題。有限元仿真技術(shù)是虛擬仿真技術(shù)的重要組成部分，目前已比較成熟、系統(tǒng)地應(yīng)用于車身產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，如針對車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、碰撞安全性、疲勞耐久等性能進(jìn)行虛擬評估分析，在車身制造過程中屬于較新的應(yīng)用領(lǐng)域。

車身制造是按照一定的裝配順序和尺寸定位要求，將單個(gè)沖壓零件，通過電阻焊、弧焊、激光焊、螺栓、沖鉚、折邊、膠接等連接方式拼成一個(gè)完整的車體結(jié)構(gòu)。制造過程中，車身薄板零件在上料、抓料、預(yù)裝、拼合、落位、運(yùn)輸、裝配等過程中均存在零件變形的風(fēng)險(xiǎn)，對其進(jìn)行預(yù)測，并將其控制在合理范圍是車身制造質(zhì)量水平的重要體現(xiàn)。傳統(tǒng)的評估方法是在造車驗(yàn)證或試生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，然后對零件或工裝進(jìn)行更改。這種方式依靠工程人員經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)，并且產(chǎn)品開發(fā)后期的零件、工裝更改會(huì)增加成本。通過將有限元仿真技術(shù)應(yīng)用于車身制造中，預(yù)測制造過程中零件變形風(fēng)險(xiǎn)，并且在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化產(chǎn)品，可有效降低制造風(fēng)險(xiǎn)和成本，提升制造質(zhì)量。

1 車身底板總成

承載式車身結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代轎車與輕型商用車的車身結(jié)構(gòu)中，與傳統(tǒng)的車身-車架結(jié)構(gòu)形式相比，承載式車身具有制造成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。車身底板總成是整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，作為承載式車身的主要承重總成，制造過程中對其變形和尺寸控制是提升車身制造質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

車身底板總成主要由前艙分總成、前地板分總成、后地板分總成組成，如圖1所示。車身底板總成通過定位孔及定位面與車身隨行工裝定位銷和面進(jìn)行匹配定位，如圖2所示。為保證定位準(zhǔn)確，提升定位精度，車身制造中應(yīng)可能地縮短制造尺寸鏈，同時(shí)保證定位一致性原則，即從汽車設(shè)計(jì)到工裝設(shè)計(jì)，制造有統(tǒng)一的、系統(tǒng)的規(guī)劃，車身制造、輸送在各車間不同工藝段盡量采用一樣的定位。因此，車身底板定位孔承擔(dān)了從底板分拼到與上車體的總拼及車間運(yùn)輸過程中的定位作用，其對于整個(gè)車身的定位、尺寸具有非常重要的作用。

2 落位變形分析

車身車間負(fù)責(zé)將鈑金零件通過焊接、涂膠、鉚接等工藝在不同工裝上組裝連接成白車身，送至油漆車間進(jìn)行電泳涂裝工序。按照工藝流程，車身生產(chǎn)線可分為前艙線、底板線、總拼線、門蓋線、表調(diào)線等，不同分拼線的零件總成主要通過機(jī)運(yùn)設(shè)備運(yùn)輸至總拼線完成白車身合拼。在分拼線中因制造工藝轉(zhuǎn)接需求，也存在機(jī)器人抓取零件總成落位至工裝的情形。在實(shí)際制造過程中，當(dāng)車身總成在自重作用或機(jī)運(yùn)慣性載荷作用下落位至工裝上，對車身定位孔和定位面的鈑金具有一定沖擊作用。另外，零件制造及機(jī)械設(shè)備操作等均存在一定誤差，定位銷很難保證定位孔準(zhǔn)確落位，定位銷導(dǎo)向過程中定位孔之間也會(huì)產(chǎn)生擠壓、沖擊。因此，車身總成定位孔和定位面需具備一定的剛度或強(qiáng)度要求，從而保證落位、運(yùn)輸?shù)戎圃煲螅嵘圃炀取?/p>

采用有限元仿真方法，可對制造過程中零件的落位變形風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，由于落位過程涉及沖擊載荷以及零件和工裝接觸變形等非線性問題，可采用適合非線性動(dòng)態(tài)分析的有限元仿真軟件LS-DYNA對其進(jìn)行分析求解，分析流程如圖3所示。首先，建立有限元仿真模型，包括對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料、屬性的建立等；其次，輸入分析所需的邊界條件，包括總成落位高度、慣性載荷、接觸等邊界條件的設(shè)置；然后，在定義計(jì)算控制參數(shù)后，提交仿真軟件求解；最后，根據(jù)仿真結(jié)果，確認(rèn)是否滿足制造要求，針對不滿足制造要求的工況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出產(chǎn)品改進(jìn)建議，并校核仿真結(jié)果。最終，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足制造需求。

2.1 有限元模型

以某車型后底板總成為例，對其落位過程進(jìn)行仿真分析，如圖4所示。利用有限元前處理軟件HyperMesh對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用2D單元對鈑金零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格單元大小設(shè)置為5 mm，采用音響控制模塊單元對點(diǎn)焊進(jìn)行模擬，采用剛性單元模擬焊縫。由于在油漆烘烤前，膠未固化，因此，不考慮結(jié)構(gòu)膠的建模。最終，建立后地板總成有限元模型如圖5所示。

2.2 仿真邊界條件

根據(jù)制造過程工況，設(shè)置落位高度為20 mm，落位時(shí)考慮1慣性載荷。由于工裝接觸面和銷子剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于車身鈑金零件，因此，可提取與車身接觸的工裝定位面或銷，設(shè)置為剛體，如圖5畫圈所示區(qū)域。在LS-DYNA中，設(shè)置工裝與后地板為面接觸，定義接觸摩擦系數(shù)為0.2。

2.3 仿真結(jié)果分析

將模型輸入至LS-DYNA軟件進(jìn)行分析計(jì)算，可得到底板在落位過程中的應(yīng)力情況，如圖6所示。由圖6可知，后地板落位過程中，最大應(yīng)力發(fā)生在前部定位孔，位置發(fā)生在定位孔附近搭接處應(yīng)力最大，其最大應(yīng)力可達(dá)478 MPa，超過底板件材料的屈服極限420 MPa，最大應(yīng)力已經(jīng)超出材料屈服極限，說明該位置已發(fā)生永久變形，該變形對于車身總成工裝定位、后續(xù)零件匹配安裝等造成潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要優(yōu)化零件設(shè)計(jì)，避免制造風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從應(yīng)力圖中可以清楚看到，在該定位孔附近，零件主要依靠相鄰兩側(cè)翻邊搭接作為連接面，如果搭接面強(qiáng)度不足，落位時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力將沿翻邊傳導(dǎo)至型面邊緣處，圖中應(yīng)力最大處位于兩側(cè)翻邊的交界處。參考目前的連接工藝，在翻邊的邊緣增加兩個(gè)焊點(diǎn)提高連接強(qiáng)度。另一方面，定位孔由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也是應(yīng)力易集中的位置，周圍型面需要進(jìn)行加強(qiáng)，盡量抵消落位時(shí)零件沖擊對型面的變形影響。

參考仿真結(jié)果以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，針對發(fā)生變形的定位孔所在的面增加加強(qiáng)筋，同時(shí)通過增加焊點(diǎn)連接加強(qiáng)其支撐強(qiáng)度，如圖7所示。

3.2 結(jié)果校核

產(chǎn)品優(yōu)化后，對改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并更新有限元分析模型。對改進(jìn)后的模型進(jìn)行落位變形仿真校核，改進(jìn)后，后地板前部定位孔的應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖可知，該零件總成模型最大應(yīng)力發(fā)生在定位孔邊緣，最大應(yīng)力僅為251 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該處材料的屈服極限420 MPa，零件不會(huì)發(fā)生永久變形，車身完成落位后，零件變形恢復(fù)原狀，無永久變形風(fēng)險(xiǎn)。

4 小結(jié)

通過將有限元虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于車身制造過程落位變形風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，并且圍繞仿真結(jié)果對零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，降低落位過程中零件的應(yīng)力，消除零件制造過程中的永久變形風(fēng)險(xiǎn)，提高車身制造質(zhì)量，提升車身智能制造水平。

有限元仿真技術(shù)可以合理預(yù)測制造過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品優(yōu)化周期，降低實(shí)物驗(yàn)證階段修模、調(diào)試等成本，提高產(chǎn)品競爭力，對制造過程的智能開發(fā)具有重要意義。