基于ANSYS Workbench對(duì)某車門夾具支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳國娟 趙 云 張新聞 楊 挺 滕 磊

(1.浙江新吉奧汽車有限公司，桐鄉(xiāng)， 314500；2.浙江科技學(xué)院, 浙江， 310018）

0 引言

汽車車門由若干形狀復(fù)雜的薄板件在裝配線上經(jīng)過焊接、涂膠、包邊等工藝焊接而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在加工制造過程中，需要較多的夾具進(jìn)行定位和固定，進(jìn)而也需要相應(yīng)數(shù)量的夾具支架進(jìn)行支撐。為滿足夾具支架在車門裝焊時(shí)有足夠的剛度和強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確牢固的裝夾，夾具固定支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕量化方向發(fā)展，運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)來提升產(chǎn)品性能和降低生產(chǎn)成本的方式的優(yōu)點(diǎn)越發(fā)突出。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以利用最少的材料、最簡單的工藝來達(dá)成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最佳性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、材料成型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，是一種根據(jù)給定負(fù)載、約束條件，在滿足性能指標(biāo)的條件下，在給定區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化的方式。

本文使用CATIA軟件建立夾具支架三維模型，并使用ANSYS中的Workbench模塊對(duì)夾具支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析的研究以及對(duì)支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，最終在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了夾具支架輕量化的優(yōu)化目標(biāo)。

1 車門夾具支架的三維模型建立

1.1 車門支架設(shè)計(jì)要求

車門是整個(gè)車身結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立的部分，也是車身工藝中最復(fù)雜的部件。車門生產(chǎn)涉及零件沖壓、零件焊接、零部件裝配、總成組裝等工序，各個(gè)工序中的尺寸配合精度和工藝技術(shù)要求都非常嚴(yán)格。車門系統(tǒng)一般由兩大部分組成:車門總成和車門附件，表1為車門總成零件的信息。

如表1所示，車門由許多表面為曲面、厚度小、表面積大的薄板類零件組成，這些形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的車門零件不同于一般機(jī)加工零件，其定位裝夾方法也是不同的。這需要在設(shè)計(jì)車門夾具和夾具支架滿足三個(gè)要求：第一，保證有足夠的裝焊空間，使操作人員有良好的視野和操作環(huán)境，焊接生產(chǎn)的全過程處于穩(wěn)定的工作狀態(tài) ；第二，出于成本和工藝的考慮，支架結(jié)構(gòu)應(yīng)便于制造，安裝和操作，避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，便于檢驗(yàn)、維修和更換易損零件。設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮制品在裝配定位焊接后能順利的從夾具中取出來，還要保證產(chǎn)品在翻轉(zhuǎn)或吊運(yùn)時(shí)不受傷害；第三，夾具支架應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度,在裝焊時(shí)滿足總變形量小于0.5 mm,使夾具支架在裝焊時(shí)定位和裝夾準(zhǔn)確并不發(fā)生位移。

表1 車門總成零件信息

1.2車門支架參數(shù)設(shè)置

如圖1所示，在Catia中建立夾具支架的三維模型，夾具支架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，支架的底座形狀為一正方形，邊長為140 mm。支架總高為360 mm(包括底板厚度20 mm)，存在一個(gè)加強(qiáng)肋，連貫底板和后板。加強(qiáng)肋的寬為20 mm，高為340 mm，長度為360 mm，底板和后板上還有4個(gè)直徑為20 mm的銷孔，分布在加強(qiáng)肋兩邊。

圖1 夾具支架的三維模型

2 車門夾具支架的有限元靜力學(xué)分析

為了得到夾具支架在正常工況下的變形情況和應(yīng)力分布情況，同時(shí)也為拓?fù)鋬?yōu)化提供依據(jù)，首先需要對(duì)夾具支架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。

2.1 材料選擇和網(wǎng)格劃分設(shè)置

將夾具支架的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中的靜力分析模塊。為了減少車門夾具支架成本和保證其強(qiáng)度，定義支架材料為結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量(楊氏模量)為2×105 MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度345 MPa。

設(shè)置完夾具支架材料后，對(duì)夾具支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇用六面體網(wǎng)格劃分來減少甚至避免出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象。為了得到細(xì)致的優(yōu)化效果，夾具支架的整體網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm的粗略劃分，但在可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置或工作過程中損壞率高的部分進(jìn)行網(wǎng)格加密劃分，采用3 mm的網(wǎng)格劃分。如圖2所示，最終顯示支架有限元模型有63萬0 419個(gè)單元，16萬7 920個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 劃分網(wǎng)格效果圖

2.2 靜態(tài)應(yīng)力分析

在對(duì)夾具支架進(jìn)行靜力分析前，需要依據(jù)其工作特性添加載荷和約束。夾具在工作時(shí)，支架底面通過分裝在兩邊的銷孔固定在夾具地板上，所以在ANSYS中設(shè)置底面和銷孔為固定約束；車門夾具由四個(gè)銷孔固定在支架上，所以在支架后板四個(gè)銷孔添加一個(gè)與加強(qiáng)肋平行的力，大小約為47 434 N。載荷施加效果如下圖3所示。

圖3 載荷和約束效果圖

載荷和約束添加后，對(duì)支架進(jìn)行應(yīng)力和總變形進(jìn)行求解，得出應(yīng)力最大處為底板、后板和加強(qiáng)肋交界處，最大應(yīng)力大小為159 Mpa，最大變形的求解結(jié)果為0.45 mm，應(yīng)力效果和變形效果分別見圖4和圖5。

圖4 優(yōu)化前支架應(yīng)力效果圖

圖5 優(yōu)化前支架變形效果圖

3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)置參數(shù)與結(jié)果

在設(shè)置車門夾具支架拓?fù)鋬?yōu)化的參數(shù)和設(shè)置時(shí)，為了保證其符合最大變形量小于5 mm的設(shè)計(jì)要求，并盡可能的使其輕量化，需要通過設(shè)置遞增的材料去除率(Minimize(保留最大質(zhì)量)，60%，65%，70%，75%)來保證設(shè)計(jì)要求和輕量化同時(shí)實(shí)現(xiàn)，不同保留質(zhì)量下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值和最大變形量如表二所示。最終在保留70%質(zhì)量為目標(biāo)時(shí)，能同時(shí)滿足車門夾具支架的設(shè)計(jì)要求和輕量化。

3.2 搭建優(yōu)化后三維模型

按照?qǐng)D6所示，優(yōu)化前框架和優(yōu)化后框架進(jìn)行對(duì)比，可以看到除了優(yōu)化加強(qiáng)肋下側(cè)外，最主要優(yōu)化部分的是后板和底板靠近加強(qiáng)肋的面，但由于工藝和成本的約束，完全按照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果來切割?yuàn)A具支架是不符合實(shí)際工藝要求的，所以要結(jié)合實(shí)際工藝要求對(duì)支架進(jìn)行如圖7所示進(jìn)行切除或保留，不一定需要與拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果完全一致。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化效果圖

圖7 最終效果圖

表2 夾具支架不同材料去除率下的最大應(yīng)力和最大變形量

3.3 驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度

為了驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)優(yōu)化模型施加相同的約束和載荷條件，如圖8和圖9所示，靜力學(xué)分析得到最大變形為0.3 184 mm，最大應(yīng)力為252.36 MPa?？傋冃瘟啃∮谠O(shè)計(jì)要求的0.5 mm，最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足了夾具支架的設(shè)計(jì)要求。

圖8 優(yōu)化后支架總變形圖

圖9 優(yōu)化后支架應(yīng)力圖

4結(jié)論

車門夾具支架在裝焊車門時(shí)需要保持定位和裝夾的準(zhǔn)確，這對(duì)其結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性提出了較高的要求。本文利用ANSYS Workbench平臺(tái)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，具體對(duì)車門夾具支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，車門夾具的支架結(jié)構(gòu)通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，支架結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量從12.733 kg減少到10.044 kg，質(zhì)量減少21.2%。對(duì)支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的靜態(tài)分析進(jìn)行對(duì)比，新的支架模型的最大變形值為3.18 mm，相較之前模型的4.52 mm變形量縮小了29.5%，變形分布也更加均勻。驗(yàn)證結(jié)果表明在減少支架的質(zhì)量的同時(shí)，改善了支架的力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)車門夾具支架的優(yōu)化包括改進(jìn)結(jié)構(gòu)、減輕重量、降低成本，具有一定現(xiàn)實(shí)意義，并且采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)于同類結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考與借鑒意義。