基于NX_Nastran的汽車大型沖壓件靜力分析和優(yōu)化

摘要：本文以某車型的前門內(nèi)板為研究對(duì)象，利用NX_Nastran軟件對(duì)前門內(nèi)板進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分生成為有限元模型，再對(duì)該模型進(jìn)行靜力分析，比較不同擺放方式的差異，找出其受力變形區(qū)域，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。關(guān)鍵詞：靜力分析;網(wǎng)格劃分;基準(zhǔn);重力變形;NX;檢具;GDamp;T

中圖分類號(hào)：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

汽車的門內(nèi)板作為大型沖壓件，絕大多數(shù)整車廠商都是自己開(kāi)發(fā)GDamp;T（Geometric Dimensioning and Tolerancing，幾何尺寸和公差）圖紙和檢具，對(duì)內(nèi)板上的玻璃導(dǎo)軌安裝點(diǎn)（影響玻璃升降異響）和型面輪廓度要求很高。因此門內(nèi)板的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)和擺放方式非常重要，不同的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)和擺放方式會(huì)影響內(nèi)板上的安裝孔和型面檢測(cè)準(zhǔn)確性。

本文采用NX_Nastran軟件對(duì)某車型的前門內(nèi)板進(jìn)行有限元靜力分析，對(duì)不同的擺放方式、基準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行求解，然后分析求解結(jié)果，以靜力變形最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到基準(zhǔn)設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。

1前門內(nèi)板的基準(zhǔn)分析

某車型的前門內(nèi)板GDamp;T圖紙基準(zhǔn)開(kāi)發(fā)如圖1所示。在GDamp;T開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基準(zhǔn)選取我們都遵循“N-2-1”原則來(lái)限制零件的6個(gè)自由度。

“N”一般為零件投影面積最大面上選取的N個(gè)主基準(zhǔn)點(diǎn)，以限制3個(gè)自由度。隨著零件大小、結(jié)構(gòu)的不同，N的數(shù)量也不同，不能太多也不能太少。多了的話就有可能把變形回彈的面強(qiáng)行夾緊產(chǎn)生誤差;少的話有可能會(huì)支撐不足導(dǎo)致型面下塌。“2”為次基準(zhǔn)，用來(lái)定位限制2個(gè)自由度;“1”為第三基準(zhǔn)，用來(lái)固定限制零件的旋轉(zhuǎn)，限制1個(gè)自由度。

有孔的零件基準(zhǔn)點(diǎn)一般選取孔或者銷。在本案例中選取A1、A2、A3和A4這4個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，B、C這2個(gè)基準(zhǔn)孔，這樣就完全限制住了X/Y/Z向6個(gè)自由度。

設(shè)計(jì)好前門內(nèi)板的基準(zhǔn)之后，零件在檢具上的擺放如圖2所示，按照立放、平放2種采用比較多的擺放方案，來(lái)比較受到的靜力差異。

2建立有限元模型

2.1 NX_Nastran簡(jiǎn)介

NX_Nastran是由西門子公司研發(fā)的高級(jí)計(jì)算機(jī)輔助工具，全球眾多的機(jī)械廠商都采用該工具進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。NX_Nastran分析設(shè)計(jì)包含應(yīng)力、位移、振動(dòng)、波動(dòng)、溫度和磁場(chǎng)等方面。該工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加載荷、定義材料及定義約束等，能夠制定特殊有限元分析模型，支持通用工程仿真。

2.2前門內(nèi)板3D模型創(chuàng)建

先創(chuàng)建前門內(nèi)板的3D模型，基準(zhǔn)坐標(biāo)軸和A1～A4基準(zhǔn)點(diǎn)如圖3所示。坐標(biāo)軸上下為Z軸，前后為X軸，左右為Y軸，按照GDamp;T圖紙?jiān)?D數(shù)模上選取4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

將創(chuàng)建好的前門內(nèi)板3D數(shù)模用stp格式導(dǎo)出來(lái)，注意要把整個(gè)部件包括點(diǎn)都選中，否則會(huì)缺失基準(zhǔn)點(diǎn)。

2.3創(chuàng)建前門內(nèi)板有限元模型

將剛導(dǎo)出stp格式的前門內(nèi)板數(shù)據(jù)導(dǎo)入到NX_Nastran軟件，對(duì)整個(gè)幾何模型采集中面，然后采用精度較高的多面體單元把中面劃分網(wǎng)格，設(shè)置多面體單元大小為8mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算后劃分的網(wǎng)格單元數(shù)目為17110個(gè)。在處理完后可能會(huì)有極少數(shù)由于3D模型數(shù)據(jù)問(wèn)題顯示為紅色的不閉合的網(wǎng)格單元，我們需要把這些不合格的網(wǎng)格單元?jiǎng)h除，最終有限元模型如圖4所示。

3前門內(nèi)板的靜力分析求解

3.1前門內(nèi)板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

從前門內(nèi)板的3D數(shù)?？梢钥闯觯伴T內(nèi)板是由板材經(jīng)過(guò)模具拉延、沖孔等沖壓工藝加工而成。整體料厚均勻，結(jié)構(gòu)平整，重心位置居中，受力也比較均勻。

3.2前門內(nèi)板板材的力學(xué)性能

該車型前門內(nèi)板采用的板材來(lái)自寶鋼，牌號(hào)為DC56D+Z的超深;中熱鍍鋅板。該板材具有良好的焊接性、涂著性、耐熱性和耐腐蝕性，其力學(xué)性能如圖5所示。

3.3建立解算方案（solution）

3.3.1添加約束條件

我們按照產(chǎn)品GDamp;T圖紙上的基準(zhǔn)信息對(duì)有限元模型添加自定義約束（圖6）。

3.3.2添加載荷

按照平放及立放2種方案可以看出，這兩種方案靜力（即重力）對(duì)零件的影響是不一樣的。平放的靜力載荷是-Y向，立放的靜力載荷是-Z向，因此我們按照這2種方向建立2個(gè)解算方案1和2，指定矢量分別為-Y和-Z（圖了）。

3.4方案求解

我們把約束條件和重力載荷添加到有限元模型的解算方案之后，對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行求解。

當(dāng)靜力方向?yàn)?Y向時(shí)，即前門內(nèi)板為平放在檢具上的狀態(tài)，中間偏上區(qū)域由于靜力影響偏差達(dá)到了0.3 mm，結(jié)果較差（圖8）。

當(dāng)靜力方向?yàn)?Z向時(shí)，即前門內(nèi)板為立放在檢具上的狀態(tài)，零件整體變形情況非常少，只有中間下部的法蘭邊有一點(diǎn)變形但是不超過(guò)0.1mm，結(jié)果較好（圖9）。

4前門內(nèi)板的基準(zhǔn)優(yōu)化

從2種求解結(jié)果可以看出來(lái)，把零件平放的方案1在中間偏上區(qū)域存在0.3 mm的變形，零件立放的方案2相比方案1整體變形非常少，因此我們需要對(duì)方案1進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案為：在中間偏上區(qū)域增加1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)A5作為解算方案3，然后對(duì)方案3進(jìn)行求解，求解結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，增加了A5基準(zhǔn)點(diǎn)的方案3相比方案1，大面的變形量已經(jīng)從0.3 mm改善至0.1mm，改善較大。

從這3種方案可以看出，方案1變形較大，不予采納。我們可以采用方案2或者方案3，這2種方案的變形量都在要求范圍內(nèi)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文利用NX_Nastran軟件，以某車型前門內(nèi)板為例通過(guò)有限元解算器進(jìn)行靜力分析，分析了基準(zhǔn)點(diǎn)的布置、零件的擺放方式選擇。為保證零件的變形量，對(duì)超差的基準(zhǔn)方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的方案變形達(dá)到了我們的設(shè)計(jì)要求。