基于ABAQUS的焊接工藝仿真研究

劉紀(jì)，王地川，羅鳳平

(長(zhǎng)興吉利汽車部件有限公司，浙江湖州 313000)

0 引言

柔性薄板鈑金零件廣泛應(yīng)用于汽車的車身骨架生產(chǎn)中，其常用的連接方式主要為點(diǎn)焊，工藝過(guò)程一般是經(jīng)過(guò)零件、分總成、總成到車身骨架總成等幾十個(gè)焊接工序完成組焊拼裝，由于其各個(gè)環(huán)節(jié)均存在鈑金的制造公差，傳統(tǒng)的剛性零件分析不能完全反映一個(gè)總成的裝配狀態(tài)及其相對(duì)微觀的變形過(guò)程，在后期實(shí)車夾具調(diào)試時(shí)，主流的尺寸精度調(diào)試以試制匹配為主，難以在前期設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)夾具的設(shè)計(jì)問(wèn)題，導(dǎo)致夾具反復(fù)設(shè)變，影響造車進(jìn)度，且在整車CAE分析中，一般較少考慮焊接完成后的內(nèi)應(yīng)力問(wèn)題，導(dǎo)致仿真結(jié)果不準(zhǔn)確。

王德倫和肖榮光[1]分析了由名義焊點(diǎn)漂移產(chǎn)生焊裝偏差的機(jī)制，得出了以節(jié)點(diǎn)耦合方式模擬焊點(diǎn)，以接觸單元模擬零件間的相互作用，在不考慮塑性變形情況下的組裝件回彈分析；周強(qiáng)等人[2]針對(duì)柔性薄板零件裝配過(guò)程的受力變形與接觸現(xiàn)象，提出ABAQUS通過(guò)重啟動(dòng)分析、數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)和自由度耦合功能，實(shí)現(xiàn)了裝配過(guò)程的仿真。

本文作者采用ABAQUS軟件對(duì)典型的鈑金件焊接過(guò)程一般為上件、夾具壓緊、焊槍下電極臂到位，焊槍上電極臂加壓通電、冷卻、焊槍退出及夾具打開過(guò)程進(jìn)行了模擬，輸出了零件裝配焊接過(guò)程中測(cè)點(diǎn)的變形歷程，同時(shí)輸出了焊槍、夾具的壓緊力歷程和焊接完成后焊點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，可以指導(dǎo)夾具M(jìn)CP的方案設(shè)計(jì)及焊槍和夾具氣缸的選型，也為整車CAE仿真部門輸出總成狀態(tài)下焊接完成后的焊點(diǎn)及零件的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，提高整車CAE部門仿真的準(zhǔn)確性。

1 薄板零件的裝配模型及建模

依據(jù)實(shí)際的焊接過(guò)程，文中采用的焊接工藝模擬分4個(gè)階段：

(1)上件，零件重力與夾具支撐的平衡階段；

(2)夾具夾緊，壓緊塊將零件夾緊；

(3)焊接，按照預(yù)先設(shè)定的焊接次序模擬；

(4)夾具打開，分析零件的回彈。

1.1 模型裝配的狀態(tài)

文中采用經(jīng)典的單帽橫梁結(jié)構(gòu)，零件的初始模型包含兩種狀態(tài)：

(1)零件之間存在裝配間隙，如圖1所示；

圖1 裝配間隙

(2)零件之間存在裝配干涉，如圖2所示。

圖2 裝配干涉

鈑金件厚度均為1.5 mm。

以上的變形為在前處理軟件中采用極限公差的方式對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行變形處理后得到初始模型。

在CATIA軟件中裝配完成后的焊槍、夾具零件及測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 裝配完成后的焊槍、夾具零件及測(cè)點(diǎn)位置

假定模型存在h的初始干涉，采用有應(yīng)力外推調(diào)整干涉量至小于等于0.005 mm，在分析的第一階段消除零件間及零件與夾具的干涉，如圖4所示，對(duì)零件及工具體間設(shè)置接觸關(guān)系，在適當(dāng)?shù)碾A段激活接觸，以完成干涉的消除。

圖4 模型裝配干涉的處理過(guò)程

1.2 夾具及焊槍工具體建模方案

夾具及焊槍工具體在三維軟件中設(shè)計(jì)完成后導(dǎo)入ABAQUS以離散剛體的形式表達(dá)，以減少分析資源占用，夾具的固定塊在分析中固定，壓緊單元設(shè)置5 mm的位移，在分析的第二階段滑入，在第四階段退出。焊槍及夾具的工具體為理論理論位置，未設(shè)計(jì)初始偏差。

焊槍工具體在第三階段進(jìn)入模型，各個(gè)焊接過(guò)程的焊接分析步驟為：

(1)下電極到位；

(2)上電極到位；

(3)焊點(diǎn)生成；

(4)上電極退出；

(5)下電極退出。

1.3 定位銷的建模方案

定位銷共4個(gè)，4個(gè)定位銷在第一階段完成零件的定位，在第四階段將零件的定位銷退出，保留兩件總成的定位銷，定位銷以固定節(jié)點(diǎn)的方法建模，如圖5所示。

圖5 定位銷建模

1.4 焊點(diǎn)的建模方案

鈑金件裝配過(guò)程仿真的關(guān)鍵難點(diǎn)在于焊點(diǎn)的連接模擬，ABAQUS中常用的焊點(diǎn)模擬方法主要是以下幾種[4]。

ACM(等效-(T1+T2)/2),此焊點(diǎn)的模擬方案是創(chuàng)建實(shí)體單元，將實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)與其周圍的殼單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)耦合，以殼單元的厚度作為參數(shù)將實(shí)體單元從殼單元偏移，殼單元的厚度為(T1+T2)/2，如圖6(a)所示，在焊接工藝模擬中，如鈑金件間存在間隙，則實(shí)體單元一般在兩鈑金件的中心創(chuàng)建。

ACM(殼間隙)，此焊點(diǎn)的模擬方案同樣是創(chuàng)建實(shí)體單元，與(等效-(T1+T2)/2)的區(qū)別是不以板厚為計(jì)算參數(shù)，直接以殼單元間的間隙為參數(shù)進(jìn)行填充，如圖6(b)所示?！癋ASTENER”在殼單元間創(chuàng)建CONN3D2單元，如圖6(c)所示。

圖6 ABAQUS常用的3種焊點(diǎn)模擬方法

在ABAQUS軟件的3種焊點(diǎn)方案中，3種模型都是需要在初始模型中進(jìn)行定義，屬于模型的一部分，不能類似邊界條件獨(dú)立于初始模型，文中選擇控制單元生死法進(jìn)行焊點(diǎn)的模擬，最直接的方法是控制ACM焊點(diǎn)單元，“FASTENER”焊點(diǎn)的生死控制比較困難，因此文中以ACM焊點(diǎn)為焊點(diǎn)連接模擬的研究對(duì)象。

通過(guò)ABAQUS仿真分析，采用ACM(等效-(T1+T2)/2)/(殼間隙)的焊點(diǎn)建模，實(shí)體單元的厚度為1.5 mm，提交運(yùn)算后在模型的初始分析步，實(shí)體單元立即將控制節(jié)點(diǎn)偏移1/2的板厚，使之與殼單元的厚度方向匹配，在后續(xù)分析中，由于板件間隙持續(xù)減小，導(dǎo)致實(shí)體單元發(fā)生網(wǎng)格畸變，運(yùn)算終止，如圖7所示。

圖7 仿真分析

文中為此開發(fā)了一種新的焊點(diǎn)模型，將采用ACM(殼間隙)方式建模后的焊點(diǎn)模型用綁定的形式取代節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)耦合模型，以下簡(jiǎn)稱TACM，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 TACM結(jié)構(gòu)

為了研究TACM模型的焊點(diǎn)精度，采用上文所述的經(jīng)典單帽焊接結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，這種模型是研究焊點(diǎn)精度的最常用模型。

各焊點(diǎn)模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍B(tài)對(duì)比如表1所示。

表1 各焊點(diǎn)模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍B(tài)對(duì)比

對(duì)于單帽形結(jié)構(gòu)，很多學(xué)者進(jìn)行了模態(tài)分析和試驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]中，對(duì)于單帽形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)和研究，由于所建立的有限元模型尺寸一致，在此直接借用其試驗(yàn)結(jié)果,如表1所示。

由上，TACM的焊點(diǎn)性能基本與ACM的焊點(diǎn)性能一致，因此認(rèn)為TACM焊點(diǎn)設(shè)置是合理的。

1.5 焊點(diǎn)的生死控制方法

在ABAQUS中，焊點(diǎn)的生死控制以*model change關(guān)鍵詞進(jìn)行設(shè)置[5]，在焊接的起始階段將焊點(diǎn)取消激活，在適當(dāng)?shù)暮附庸ば驅(qū)⒑更c(diǎn)重新激活，根據(jù)焊接工藝的實(shí)際狀態(tài)，文中不考慮焊接熱變形，焊點(diǎn)在激活后應(yīng)以無(wú)內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)方式生成。

2 焊接工藝模擬

零件上下板在重力場(chǎng)下(-9 800 mm/s2)，按照預(yù)先設(shè)定的焊接工藝順序，將焊點(diǎn)在第一階段的起始立即取消激活，而后按照焊接順序依次激活相應(yīng)焊點(diǎn)，而后焊槍退出，依次循環(huán)完成所有定位焊點(diǎn)的模擬，文中分析共設(shè)置24個(gè)分析步。

第一階段，單帽橫梁上下板分別裝配到夾具上，此時(shí)夾具處于打開狀態(tài)，零件與夾具建立穩(wěn)定接觸后的變形情況如圖9所示，中部塌陷，表明上下板裝配時(shí)存在干涉現(xiàn)象。

圖9 零件與夾具建立穩(wěn)定接觸后的變形

第二階段，夾具關(guān)閉，此夾具為無(wú)偏差?yuàn)A具，能夠保證將零件夾緊到理論位置，夾緊后狀態(tài)如圖10所示。

圖10 夾緊后狀態(tài)

第三階段，零件焊接開始，焊接過(guò)程為下電極到位、上電極到位、焊點(diǎn)生成、上電極退出、下電極退出，分別焊接焊點(diǎn)1—焊點(diǎn)4，其焊接過(guò)程如圖11所示。

圖11 焊接過(guò)程

第四階段，零件焊接完成，夾具打開，帽型板的定位銷退出，如圖12所示。

圖12 零件焊接完成

3 焊接過(guò)程中零件測(cè)點(diǎn)的位移狀態(tài)

焊接過(guò)程中零件測(cè)點(diǎn)的位移狀態(tài)如圖13所示，從歷程4開始進(jìn)行焊接過(guò)程，直至歷程23結(jié)束，其中歷程4—?dú)v程8為焊接焊點(diǎn)1過(guò)程，歷程9—?dú)v程13為焊接焊點(diǎn)2過(guò)程，歷程14—?dú)v程18為焊接焊點(diǎn)3過(guò)程，歷程19—?dú)v程23為焊接焊點(diǎn)4過(guò)程，根據(jù)焊接工藝經(jīng)驗(yàn)，一般判定焊接波動(dòng)在0.3 mm以內(nèi)視為穩(wěn)定的焊接過(guò)程，從圖中可以看出，焊點(diǎn)2與焊點(diǎn)3的焊接過(guò)程測(cè)點(diǎn)波動(dòng)超過(guò)1 mm，視為不穩(wěn)定的焊接過(guò)程，因此初始模型的MCP設(shè)置不合理，在中間部位缺少M(fèi)CP。

圖13 焊接過(guò)程中零件測(cè)點(diǎn)的位移狀態(tài)

優(yōu)化后的MCP如圖14所示，在帽型橫梁的中間部位增加一對(duì)MCP。

圖14 優(yōu)化后的MCP

優(yōu)化后的測(cè)點(diǎn)位移曲線如圖15所示，可知焊點(diǎn)2與焊點(diǎn)3在焊接過(guò)程中的測(cè)點(diǎn)位移狀態(tài)有了很大的改善，焊點(diǎn)2焊接過(guò)程中的最大位移為-0.044 mm，焊點(diǎn)3焊接過(guò)程最大變形為-0.044表明中間位置MCP的增加對(duì)焊點(diǎn)2的焊接變形進(jìn)行有效控制。

圖15 優(yōu)化后的測(cè)點(diǎn)位移曲線

4 焊接過(guò)程中焊點(diǎn)的受力特性

焊接完成后的焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力如圖16所示，可以為整車CAE分析提供參考，提高整車CAE分析的精確性,圖16是每個(gè)焊點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力歷程曲線圖，從圖中可以看出，焊點(diǎn)1—焊點(diǎn)4分別在歷程7、歷程11、歷程16、歷程21時(shí)間生成，其中焊點(diǎn)2的焊接直接導(dǎo)致焊點(diǎn)1的受力增大，夾具打開后，由于零件具有初始裝配間隙，導(dǎo)致焊點(diǎn)的受力增加。

圖16 焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用控制生死單元的方法對(duì)焊裝工藝進(jìn)行了仿真分析，并設(shè)計(jì)了一種新的焊點(diǎn)建模方案，輸出了在焊接過(guò)程中的測(cè)點(diǎn)位移歷程曲線，對(duì)MCP進(jìn)行了優(yōu)化分析，輸出了焊點(diǎn)的受力歷程曲線，可以為整車的CAE分析提供輸入，提高焊點(diǎn)疲勞分析及整車碰撞分析的精確度。在車型量產(chǎn)后，結(jié)合藍(lán)光掃面或者三坐標(biāo)，對(duì)零件進(jìn)行相應(yīng)的變形，可以指導(dǎo)量產(chǎn)夾具的調(diào)整及白車身精度提升。