有限元仿真技術在車身工藝同步工程中的應用

陳丹丹，鄧繼濤，陳錫榮，王建軍，黃 勝

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

有限元仿真技術在車身工藝同步工程中的應用

陳丹丹，鄧繼濤，陳錫榮，王建軍，黃 勝

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

有限元仿真技術已被廣泛應用于車身結構產品本身的性能分析，如剛度、強度、模態、疲勞、NVH等，隨著其技術的不斷發展，有限元仿真技術也越來越多地應用在車身工藝同步工程過程中，從而指導車身工藝開發，降低投資成本。本文以車身工藝項目同步工程為背景，闡述了車身工藝同步工程過程中的有限元仿真流程，重點介紹了有限元仿真技術在車身工藝同步工程中的應用。

有限元仿真；車身工藝；同步工程

0 前言

隨著工業4.0以及中國制造2025提出，制造技術提升已經越來越關系整個國民經濟發展，關系整個國家戰略。虛擬仿真技術作為中國制造2025提出的重要突破領域，其對于車身制造技術提升正在并將要發揮越來越重大作用。

汽車車身的開發在整個汽車產品開發中占極其重要的地位，其開發周期直接影響到產品未來的市場競爭力。同步工程（SE：Simultaneous Engineering），又稱工藝同步工程。是指從新產品開發的最初階段開始，就盡可能把設計和制造聯系起來，要求整個產品開發過程實施同步、一體化設計，促使開發者始終考慮從概念形成直到用后處置的整個產品生命周期內的所有因素（包括工藝、質量、成本、進度和用戶要求）的一種系統方法[1]。

目前來看，國內對車身工藝同步工程CAE的研究應用相對來說還比較少，而對于沖壓工藝同步工程CAE研究已經有大量的應用。文獻[2]探討了沖壓成形CAE技術在汽車車身開發領域的研究與應用狀況，文獻[3]以某車型前圍蓋板內板在設計的同時考慮其沖壓工藝為例，介紹了沖壓工藝同步工程CAE技術在車身設計中的應用。本文將結合具體事例，介紹有限元仿真技術在車身工藝產品同步工程的應用。通過車身工藝項目中遇到的具體案例，發現制造過程中車身零部件總成可能發生問題，總結并歸納CAE分析類型及其中關鍵技術環節。通過有限元仿真技術實現縮短項目周期，提高產品可制造性和易制造型，提高規劃及制造質量，降低項目投資及運營成本，從而實現CAE驅動工藝開發。

1 車身工藝同步工程有限元仿真流程概述

有限元方法是求取復雜微分方程近似的一種有效的工具，是現代數字化科技的一種重要基礎型原理。將它應用在科學技術中，可成為工程設計和分析的可靠工具。傳統的產品性能有限元分析流程如下圖1所示：通過導入幾何模型到有限元前處理軟件（比如Hypermesh、ANSA等）進行前處理，包括對集合模型進行網格劃分，定義材料屬性；而后再根據具體分析工況定義邊界條件，包括約束、載荷、接觸等；在定義好計算控制參數后，便可將模型提交有限元求解器求解，目前常見的結構分析求解器有Nastran、OptiStuct、Lsdyna、Abaqus等，工程師需要根據具體的分析類型選擇相應的求解器；求解之后，需要對結果進行處理，提取需要的結果。而后，工程師需要根據產品性能要求對結果進行分析，對于不滿足性能要求的產品設計，需要對其進行更改。產品更改后，重新分析進行判斷。通過以上流程可知：產品性能有限元分析就是對產品分析、更改、再分析的一個循環過程，直至產品性能達到要求。

車身工藝同步工程過程是平衡產品設計和制造的一個同步過程，它涉及到產品設計，更偏重制造工藝，因此車身工藝產品同步過程有限元仿真分析流程與傳統車身性能分析流程有不同之處。車身工藝產品同步過程的有限元仿真分析流程見下圖2。由圖2可知，在針對無法滿足制造要求的工況，可通過兩種途徑來解決：一是工藝更改，二是產品更改。而具體通過哪種途徑解決，需要由工藝工程師、產品工程師等多方共同評估解決。針對工藝更改仍無法滿足制造要求的情況，如產品設計存在的不可制造問題，則必須進行產品更改。涉及到產品更改時，需要由工藝工程師、仿真工程師、產品工程師協同解決。當然，有時候也需要產品和工藝同時更改，才能滿足制造需求。在產品或工藝更改時，還會涉及到制造投資的影響。因此，車身工藝同步工程有限元分析過程需要綜合考慮制造成本、產品性能乃至產品造型等多方面因素，其本質是產品與制造工藝的同步協同。

圖1 有限元仿真技術分析流程圖

圖2 車身工藝有限元分析工作流程圖

表1 車身工藝同步工程中有限元仿真類型

2 車身工藝同步工程中有限元仿真技術的應用

車身工藝就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、膠接等連接方式拼合成一個完整的車體結構。在車身的制造工程中，涉及到零件連接，上料，抓料，傳輸，零部件預裝、合裝、跌落，工裝裝夾以及零在工裝或檢具變形等過程。這些制造過程產生的零件變形，對制造工藝、制造策略及投資成本均有可能產生一定影響。因此，在車身工藝同步過程中，需要針對各種制造工況，前期評估識別風險，指導車身工藝開發，降低投資成本。根據車身車間存在的不同工藝類型，車身工藝同步工程中有限元仿真可大致分為如下類型。

2.1 靜態放置

在車身生產時，門蓋閉合件與車身的匹配不僅影響到車身安裝，同時門蓋與車身匹配的間隙值及其均勻度不僅影響到車身美觀，也是整車廠質量控制的標準。因此，在車身車間門蓋線旁通過檢具，來檢查、監控門蓋的生產質量。雖然門蓋總成靜態放置在檢具上的變形量大小仍然在彈性范圍內，但其變形量的大小不僅會影響到檢具對門蓋總成與車身零部件匹配的檢查，同時，過大的變形量，也不符合檢舉設計的標準。通過對門蓋總成在線旁檢具時的靜態變形分析，可以指導檢具的設計開發。比如，后蓋總成在檢舉上的基準有三點高低向支撐改為四點支撐后（圖示紅圈），其變形量不僅大大減小，同時也達到檢具設計的要求。因此通過前期同步工程的CAE分析，可以達到指導線旁檢具設計的目的。

圖3 檢具三點支撐約束

圖4 三點支撐變形云圖

圖5 檢具四點支撐約束

圖6 四點支撐變形云圖

2.2 上料、抓料和傳輸

車身制造過程中，零部件的上料、抓料以及傳輸雖然是一個運動過程，但由于其運動過程是低速、勻速運動，因此對其仿真可以簡化為線性靜態分析，采用常用的有限元求解器Optistruct或Nastran進行求解。施加邊界條件時可以約束零部件的抓料點，根據抓料或傳輸時零件的不同姿態施加相應方向的慣性載荷。針對分析工況提出相應的工藝或產品更改方案。例如，機器人抓側圍內版總成上運輸小車時，根據工藝工程師輸入的抓料點進行約束，如圖3.5所示，由于抓料時側圍內板為平躺狀態，因此，施加Y向重力載荷。根據分析結果，如圖3.6所示，在后部區域出現較大應力，這已大大超出材料屈服極限，究其原因，機器人在抓料過程，由于側圍內版總成重量集中在后部，后部在缺少支撐的情況下，由于重力產生較大的拉拽變形，因此在后部需要增加抓料點，增加的抓料點如圖3.7所示。增加抓料點后，其應力云圖如3.8所示。由圖可知，其側圍后部區域的也已經降低到屈服極限一下，達到制造要求。

圖7 約束點

圖8 應力云圖

圖9 增加抓料點后約束圖

圖10 增加抓手后的應力云圖

當側圍內版總成通過運輸小車傳輸至內總拼線時，在傳輸過程中，存在較大的變形或零件應力較大。下圖所示3.9所示搭接區域應力已超出屈服極限。對于工廠來說，運輸小車往往是共用的，因此通過更改運輸小車固定點位置來達到制造要求將會產生較大成本，因此可協調通過更改產品使其達到制造要求，從而降低投資成本。對圖3.9應力較大（所圈區域）的區域進行產品改進，增加其搭接長度。更改后，產品的應力下降到材料屈服極限內，達到要求，如圖3.10所示。

圖11 側圍內板總成應力云圖

圖12 產品更改后的應力云圖

2.3 預裝

車身制造過程中，有些零件總成需要對其先進行預裝，再后一道工位對其焊接或安裝。比如，后端板總成先通過搭扣敲緊進行預裝，再由機運傳輸到下一道工位進行焊接或螺栓打緊。而在機運急停過程中，如果搭扣敲緊后搭接強度不夠，將會導致后端板跌落，影響生產線的正常運行，這將會直接影響生產工藝排布。尤其是對于后防撞桿與后端板作為同一總成級別，由于后端板質量增加及其質心后移，其跌落的風險進一步增加。在車身工藝同步過程中，通過CAE對搭扣的強度進行分析，可前識別在制造過程中的潛在風險，從而在產品設計早期解決問題。由于該過程屬于瞬時急停工況，可通過Ls-dyna對其進行有限元仿真分析，了解后端板的變形以及搭扣的應力應變，從而指導搭扣的結構設計，優化搭扣的分布，以及規劃合理的制造策略，節約制造成本。

圖13 后端板變形云圖

2.4 合裝

對于門蓋折邊工藝，較小的翻邊角度，可減少預折邊及其設備投資。然而，門蓋翻邊角度越小，內外板合裝時干涉量越大，其發生永久變形的可能性也越大。因此，合裝時可先通過吸盤吸開外板使其張開一定角度，再將內板合裝進入外板。通過有限元仿真，有效預測翻邊展開及其內外板合裝全過程中可能發生的永久變形，同時通過優化翻邊造型、吸盤布置和行程以及內外板合裝路徑等，尋找合理的解決方案，從而達到優化折邊工藝，并減少投資成本的目的。仿真時，采用Ls-dyna求解對其進行動態仿真，根據工裝的固定方式進行約束施加，根據吸盤的作用行程施加相應的位移載荷，在施加載荷時，需要確保外板翻變被吸盤吸開后，外板的變形在彈性范圍內。由于外板被吸開后產生變形，需要多次試算調試出內板最佳的上料路徑，使得外板變形最小。在外板變形最小時，如果仍然不滿足要求，需要根據結果優化產品或折邊工藝等。因此，通過該分析，可在工藝開發早期預知產品的制造策略，從而平衡產品設計和制造投資成本，指導工藝開發。

圖14 前蓋合裝后應力云圖

2.5 跌落變形

零件或總成跌落時，存在變形問題，這也越來越引起工藝工程師的關注，比如對于沖壓過程中，對單板進行跌落變形分析。在車身車間，當總成以一定高度落到工裝時，往往容易造成局部的永久變形。如下圖，下車體分總成以一定高度落到機運工裝時，有可能造成車身定位孔的永久變形。通過Ls-dyna對該自由落體過程進行仿真分析，考察零件定位孔的強度及變形，指導車身工藝開發。

圖15 下車體跌落過程

圖16 定位孔變形云圖

2.6 其他

在車身制造過程中，工裝的裝夾施力、焊接板材過程產生熱量以及零件帶膠烘烤后膨脹均會使零件產生一定的變形，從而影響制造過程中產品的定位及尺寸表現。工裝裝夾位置及順序，點焊順序，膠等因素對零件的變形均有不同程度的影響。通過CAE仿真，合理預測制造過程中產品設計和工藝設計問題，針對可能發生尺寸偏差區域提前做識別。指導和優化產品設計和工藝開發。但由于影響因素多樣而復雜，例如，以研究帶膠焊接板材為例，由于此過程涉及到熱力耦合以及熱源等復雜模型的建立，同時膠的變形往往變現出復雜的超彈性，在仿真中其材料模型的準確建立還比較困難，因此通過CAE仿真預測這些復雜工藝過程的變形，仍然處于不斷研究中。

3 結束語

隨著有限元技術的不斷發展以及推廣應用，有限元仿真技術將會越來越多地應用在車身工藝的同步過程中，并且將發揮越來越重要的作用。在車身工藝同步工程中，運用有限元仿真技術，便于在產品設計早期發現識別制造問題，指導車身工藝開發及制造策略，有助于降低投資成本并減少造車階段的問題，這也越來越成為車身工藝工程師在規劃工藝時需要迫切考慮的問題。

本文重點介紹了車身工藝產品同步工程過程中有限元分析的應用。目前，對于靜態放置、上料、抓料等的車身有限元分析中靜態線形分析方法已經比較成熟，零件的預裝、合裝和跌落分析也正在不斷研究，且逐漸運用在車身工藝同步工程中，對于焊接熱變形、膠的膨脹變形等的分析，仍然需要進一步研究。車身工藝是一個復雜的過程，隨著有限元技術的不斷發展，其必將越來越多地運用在車身工藝同步工程過程中，從而了解制造策略、降低投資成本，并且指導車身工藝開發。

[1] 黨紅霞.焊裝SE分析在同步工程中的應用[J].焊接技術,2011,40(4):24-28.

[2] 鄒素平.板料成形CAE技術在車身設計同步工程中的應用[J].汽車工藝與材料,2009,(6):38-40.

[3] 王劍峰.淺議沖壓成形CAE技術在汽車車身開發中的應用[J].中國城市經濟,2009,(Z1) :139-155.

The application of fi nite element method in body process simultaneous engineering

CHEN Dan-dan, DENG Ji-tao, CHEN Xi-rong, WANG Jian-jun, HUANG Sheng

TP206

：A

：1009-0134(2017)08-0075-04

2017-04-20

陳丹丹（1981 -），女，工程師，研究方向為汽車制造技術。