車身零件預裝變形有限元虛擬評估分析

程計棟 鄧繼濤 石文

摘要：? 在車身工藝同步工程階段，通過有限元仿真方法對車身制造過程中預裝零件的不同產(chǎn)品設(shè)計方案進行虛擬評估分析，根據(jù)分析結(jié)果指導零件設(shè)計優(yōu)化。該仿真方法在生產(chǎn)實物階段得到驗證，可提前識別制造過程質(zhì)量風險。與傳統(tǒng)的通過經(jīng)驗評估判斷零件預裝變形的方法相比，在工藝同步工程中應用有限元仿真技術(shù)，為解決車身制造過程中的復雜工況變形問題提供理論分析方法和依據(jù)，可靠性高，并達到縮短制造周期、降低制造成本的目的。

關(guān)鍵詞：? 車身制造; 零件預裝; 后端板; 同步工程; 有限元

中圖分類號：? U461;TB125文獻標志碼：? B

Car body part pre-install deformation finite element

virtual assessment analysis

CHENG Jidong， DENG Jitao， SHI Wen

（Vehicle Manufacturing Department， SAIC-General Motors Co.， Ltd.， Shanghai 201201， China）

Abstract： Finite element virtual assessment did for car body part pre-install deformation based on different product design proposals during process simultaneous engineering. The method that validated during car body pre-build can instruct product design and identify manufacturing quality risk in advance. Compared with traditional method that identify part preinstall deformation by experience， finite element simulation method can provide theoretical evidence to solve complicated manufacturing deformation issue in body process simultaneous engineering， and the reliability is high. What’s more， it is helpful to shorten manufacturing time and reduce cost.

Key words： car body manufacturing; pre-install of parts; rear end panel; simultaneous engineering; finite element

收稿日期：? 2021-11-09修回日期：? 2021-11-23

作者簡介： 程計棟（1981—），男，江蘇徐州人，高級工程師，研究方向為車身前期數(shù)字化規(guī)劃，（E-mail）Jidong_Cheng@saic-gm.com

通信作者：鄧繼濤（1991—），男，江西安義人，工程師，碩士，研究方向為車身制造工藝，（E-mail）Jitao_Deng@saic-gm.com0引言高速發(fā)展的汽車行業(yè)競爭非常激烈，各大車企在不斷縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、加快新車型導入的同時，也在不斷通過技術(shù)創(chuàng)新尋求降低制造成本、提升制造質(zhì)量的突破。同步工程指從新產(chǎn)品開發(fā)的最初階段開始，就盡可能把設(shè)計與制造聯(lián)系起來，要求整個產(chǎn)品開發(fā)過程實施同步、一體化設(shè)計，促使開發(fā)者始終考慮從概念形成到用后處置的整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)所有因素（包括工藝、質(zhì)量、成本、進度和用戶要求）的一種系統(tǒng)方法[1]。同步工程技術(shù)在汽車開發(fā)過程中已被廣泛應用，如文獻[2-5]分別介紹同步工程在沖壓、車身、油漆、總裝工藝開發(fā)中的應用。據(jù)統(tǒng)計，采用同步工程后，車企在開發(fā)新產(chǎn)品時設(shè)計變更數(shù)量可減少近50%，開發(fā)周期可縮短40%～60%，開發(fā)費用可降低30%～40%[6]。因此，同步工程技術(shù)的開發(fā)和應用，對于整車質(zhì)量風險識別，降低制造成本具有重要意義。

1制造工況的有限元虛擬仿真有限元仿真技術(shù)已廣泛應用在車身性能分析中，如對車身剛度、強度、碰撞等的分析[7-8]，在沖壓、油漆工藝同步工程中也有一定的應用，如鈑金零件的成形性分析[9]、油漆電泳膜厚度分析[10]等。車身制造是個復雜過程，包含上料、抓料、預裝、拼合、焊接、落位、運輸、裝夾等各種工藝，工藝過程中的零件變形預測和控制是車身制造質(zhì)量保證的關(guān)鍵因素。車身性能的虛擬評估并不涉及制造工況，如車身模態(tài)、剛度和強度分析等，因此無法預測車身制造過程中零件變形造成的工藝失效等質(zhì)量風險。傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗的評估方法可靠性不高，往往在產(chǎn)品實物驗證階段才會發(fā)現(xiàn)問題，造成制造成本的增加。因此，車身制造迫切需要在產(chǎn)品開發(fā)早期，將虛擬仿真技術(shù)從產(chǎn)品性能虛擬評估拓展到制造過程評估，對復雜工況下零件變形、應力狀態(tài)等進行準確的分析和辨識，從而對產(chǎn)品設(shè)計進行早期優(yōu)化和指導，避免制造質(zhì)量問題遺留到試生產(chǎn)或量產(chǎn)造車階段，以便提升整車制造質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約制造資源、降低開發(fā)和制造成本。隨著計算機的發(fā)展，有限元仿真技術(shù)在工藝同步工程中發(fā)揮越來越重要的作用：陳丹丹等[11]從總體角度介紹有限元仿真技術(shù)在車身工藝同步工程中的各種應用案例;趙偉鵬等[12]在工藝同步工程中采用有限元方法對汽車副儀表板進行模流分析，指導產(chǎn)品拔模設(shè)計，避免后期設(shè)計變更引起質(zhì)量、成本等問題。目前，采用有限元方法對車身焊裝制造過程中鈑金的變形進行分析預測，并根據(jù)分析結(jié)果指導產(chǎn)品設(shè)計或工藝開發(fā)的研究仍然較少。本文通過在車身工藝同步工程中應用有限元虛擬仿真技術(shù)，采用LS-DYNA有限元仿真軟件對車身制造過程中的零件預裝進行動態(tài)虛擬仿真分析，闡述車身零件預裝的具體分析方法和流程，為指導產(chǎn)品設(shè)計、降低制造成本和風險、提高制造質(zhì)量提供理論依據(jù)。

2零件預裝車身制造是按照一定的裝配順序和尺寸定位要求，把單個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完整的車體結(jié)構(gòu)的過程。零件預裝是車身制造過程常見的工藝形式，將車身零件或總成進行預裝，然后在后道工藝進行焊接，不僅提高工藝規(guī)劃的可操作性和機動性，也適應現(xiàn)階段車身制造高節(jié)拍、多車型混線生產(chǎn)的需求。常見的車身預裝零件，如側(cè)圍總成、車頂橫梁、后端板等見圖1。

為適應高節(jié)拍的生產(chǎn)需求，目前車身車間普遍采用高速滾床進行零件或總成的機運傳輸，零件在傳輸過程中會經(jīng)歷加速、減速甚至急停等工況，因此預裝零件在運輸過程中存在變形、裝配失效甚至掉落的風險。尤其是后端板總成，其裝配方向與運輸方向一致，在運輸過程中承受較大的加速啟動、減速急停過程，具有較高的運輸風險。如圖2所示，在產(chǎn)品驗證的試生產(chǎn)階段，某車型后端板預裝后在運輸急停時掉落，不僅影響產(chǎn)品驗證周期，而且會增加產(chǎn)品后期更改時的修模、物料、調(diào)試等制造成本。因此，在產(chǎn)品開發(fā)早期階段，通過有限元虛擬仿真方法評估制造風險工況，并根據(jù)分析結(jié)果指導產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對提升產(chǎn)品制造的可靠性、降低制造成本具有重要意義。

后端板通過搭扣進行預裝（見圖3），為評估零件預裝是否滿足車身制造要求，在車身前期工藝同步工程評估過程中，通過有限元仿真方法對零件預裝的有效性進行評估，可以指導產(chǎn)品設(shè)計，避免前期設(shè)計問題遺留到制造階段，節(jié)約潛在的產(chǎn)品更改引起修模、調(diào)試等費用，縮短制造周期。

3預裝仿真流程零件預裝有限元仿真需要分析零件在傳輸過程中加速、急停等動態(tài)工況下的運動，因此可采用適合非線性動態(tài)的有限仿真軟件LS-DYNA進行分析求解，零件預裝有限元仿真流程見圖4。

在車身工藝同步工程中，獲取產(chǎn)品性能分析的有限元網(wǎng)格模型并用于零件預裝仿真分析，既可以提高工作效率，又是產(chǎn)品與工藝協(xié)同的過程。獲取產(chǎn)品有限元模型后，由于零件存在設(shè)計和制造2種狀態(tài)，需要在有限元前處理軟件HyperMesh中根據(jù)制造仿真工況進行模型處理，如后端板搭扣在設(shè)計狀態(tài)并未扣上后端板，但在制造狀態(tài)下已扣上搭扣，因此需要根據(jù)制造狀態(tài)對模型進行修改，將需要評估的后端板搭扣扣上。在完成制造工況模型處理后，需對模型進行邊界條件的輸入，包括零件傳輸過程中底板運輸孔的約束，設(shè)置運輸過程的速度曲線或瞬時加速度等，以及模型的自接觸和車身搭扣與后端板的接觸等。在定義完接觸等相關(guān)的計算控制參數(shù)后，提交軟件進行求解計算。提取求解及處理完畢的結(jié)果，可以查看零件運輸過程的變形量及應力、應變狀態(tài)，同時可結(jié)合變形動畫等評估預裝零件在運輸過程中是否存在掉落風險，從而確認產(chǎn)品設(shè)計是否滿足制造過程的要求。如果設(shè)計不滿足要求，可以根據(jù)仿真結(jié)果提出產(chǎn)品改進意見、指導產(chǎn)品更改，并對更改后的產(chǎn)品進行校核，直至滿足制造要求。對于簡單的產(chǎn)品更改（如搭扣尺寸更改），也可通過網(wǎng)格的編輯直接對有限元模型進行修改，從而快速完成新設(shè)計的校核，避免產(chǎn)品更改后再次進行有限元建模，以便縮短評估周期、提高工作效率。

4仿真模型及方案后端板預裝仿真采用CAE方法分析后端板搭扣設(shè)計是否滿足車身運輸過程的要求，由于在該制造工況下零件的變形主要發(fā)生在后端板及搭扣，因此使用車身后部截斷模型進行仿真分析。后部截斷模型可在保證該工況計算精度的前提下，大大提高計算效率、節(jié)約計算資源。通過有限元軟件HyperMesh進行前處理：采用平均大小為5 mm的網(wǎng)格尺寸，對關(guān)注的搭扣處網(wǎng)格細化至平均大小為2 mm，圓角處網(wǎng)格細化至平均大小為1 mm。模型總體單元數(shù)量為77 028個，其中三角形單元2 776個，占網(wǎng)格總數(shù)的3.6%。網(wǎng)格質(zhì)量采用如下標準：長寬比小于5，雅可比系數(shù)大于0.7，三角形單元角度范圍30°～120°，四邊形單元角度范圍45°～135°，最終建立的有限元仿真網(wǎng)格模型見圖5。

前處理過程還包括零件厚度、焊點連接、材料模型、載荷設(shè)置等過程等。根據(jù)零件的厚度，采用section_shell關(guān)鍵字賦予零件板厚屬性;根據(jù)鈑金零件的材料特性，采用彈塑性材料模型賦予零件材料信息，包含彈性模量、泊松比、材料密度、屈服極限以及塑性階段材料的應力-應變曲線;采用實體單元建立焊點模型，并通過contact_spoweld關(guān)鍵字建立焊點與鈑金的接觸，通過load_body關(guān)鍵字模擬重力慣性載荷和機運急停慣性載荷。同時，后端板與車身之間設(shè)置面-面接觸，模擬預裝過程零件載荷的傳遞。

后端板搭扣越多，后端板預裝越可靠，但搭扣的增加也增加產(chǎn)品的成本及生產(chǎn)操作的時間。為平衡產(chǎn)品制造、成本和預裝的可靠性，需要合理地選擇搭扣的數(shù)量、位置、尺寸等。根據(jù)前期產(chǎn)品和工藝的協(xié)同，最終確定后端板單側(cè)4個搭扣作為選擇方案（見圖5中的A、B、C和D），單側(cè)選擇2個搭扣作為最終方案。根據(jù)搭扣分布，上部和下部各選擇1個搭扣，最終選擇表1中的4種方案進行后端板搭扣評估。在有限元模型設(shè)置過程中，選擇的2個搭扣應扣上后端板，另2個搭扣應處于放開狀態(tài)，圖5即為方案4所示模型，即搭扣B和C扣上后端板，搭扣A和D放開。在有限元模型計算設(shè)置時，扣緊的搭扣與后端板需要設(shè)置接觸及相關(guān)的接觸控制參數(shù)。

5仿真結(jié)果及分析根據(jù)上述方案，對后端板預裝有限元模型分別進行處理，并根據(jù)該產(chǎn)品制造工廠的運輸條件進行邊界條件的輸入，最后輸入LS-DYNA軟件進行仿真計算，得出仿真結(jié)果。在HyperView中打開d3plot文件，可提取出仿真結(jié)果，如零件的應力云圖、變形云圖等。本文以方案1為例，對其仿真結(jié)果進行分析。方案1的應力云圖見圖6，可知搭扣A處零件的最大應力已達到464.7 MPa，已超出材料的屈服極限340 MPa。方案1的變形云圖見圖7，可知后端的最大變形量達到67.56 mm，且搭扣已與后端板脫離。因此，根據(jù)零件的應力及變形狀態(tài)可知，后端板在搭扣預裝運輸時已掉落，不滿足制造要求。后端板搭扣各方案仿真結(jié)果見表2，可知：方案2和方案4滿足要要求，方案1和方案3不滿足要求。因此，為滿足制造要求必須選擇具有搭扣B的方案，搭扣C和D可二選一，不能選擇有搭扣A的方案。

上部搭扣B對后端板的預裝效果更明顯，搭扣A雖然也在上部，但其處于斜面位置，與車身運輸方向存在角度，故對于后端板的固定作用并不明顯，這在后續(xù)的生產(chǎn)實物驗證中也得到驗證，見圖8。

綜合上述分析，通過對后端板預裝的有限元仿真，可指導搭扣位置和數(shù)量的設(shè)計。同時，該方法可通過改變搭扣的尺寸，評估不同尺寸狀態(tài)下的搭扣是否滿足預裝要求，實現(xiàn)指導搭扣尺寸設(shè)計的目的。

6結(jié)束語闡述車身零件預裝變形的有限元仿真方法和流程，在車身工藝同步工程階段應用有限元仿真技術(shù)，對后端板預裝搭扣進行虛擬評估，指導搭扣數(shù)量和布置設(shè)計，也可以指導搭扣尺寸的優(yōu)化。通過在車身工藝同步工程階段對車身制造工況進行有限元虛擬評估，可以在產(chǎn)品開發(fā)早期發(fā)現(xiàn)和解決車身制造問題，提前識別制造質(zhì)量風險，對于指導車身零件設(shè)計，縮短車身制造周期，降低車身制造成本具有重要意義。參考文獻：

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