基于有限元CAE分析法B燈支架強度受密封墊擠壓變形的研究

姜偉民　袁一平

摘 要：隨著客戶對零件功能要求的不斷增加，以及零件輕量化的要求，變形導(dǎo)致的匹配問題長期是尺寸工作中的難點及痛點，前期充分識別及解決較為困難。本文以B燈安裝變形案例，并以B燈為剛體，僅考慮鈑金的變形來進行CAE的應(yīng)用與研究，并高效快速地通過對B燈鈑金變形的預(yù)先識別，在設(shè)計階段指導(dǎo)基準數(shù)量及位置的設(shè)置，確認改進方案，來避免在項目啟動階段對零件的修改，減少工程更改費用。

關(guān)鍵詞：B燈支架;變形分析;辨識方法研究

1 引言

隨著汽車工業(yè)發(fā)展，零件匹配及尺寸的控制越來越被客戶及整車開發(fā)廠商關(guān)注，本著安全、價廉、環(huán)保、實用、高效、省時以及提供與外部世界的聯(lián)系的目標，在尺寸前期識別問題并解決問題是當下高科技工業(yè)時代，汽車行業(yè)的一個方向，變形問題一直是尺寸前期辨識難度大，辨識手段缺乏的重大難題，為了領(lǐng)先于行業(yè)并能夠更早，更快，更優(yōu)的解決問題，因此使用了前沿的CAE仿真分析解決目前碰到的變形問題，以滿足所有客戶和行業(yè)對我們的期待。

2 CAE建模過程

2.1 CAE建模背景

在MATCHING過程中發(fā)現(xiàn)部分車型的后舉門B燈安裝緊固壓縮泡棉過程中鈑金變形，造成B燈與后舉門鈑金配合差，見圖1，圖2。

2.2 基于建模背景的分析

根據(jù)B燈的裝配過程， B燈支架已經(jīng)焊接且涂裝了結(jié)構(gòu)膠固定在了后舉門上，將帶有密封墊的B燈先夾緊B燈支架再通過定扭的扭矩槍打緊緊固點完成整個B燈的裝配過程，緊固點打緊遵循先打緊靠近車內(nèi)側(cè)的打緊點再打緊其他輔助的打緊點的基本原則，由此分析猜測B燈支架鈑金發(fā)生變形可能是源于B燈鈑金受到密封墊的壓縮力過大受到了，定扭扭矩作用力以及密封墊的壓縮力擠壓變形;

因此確定了研究的方向，模擬實際的裝配完成后，B燈支架和B燈已經(jīng)閉合，密封墊已經(jīng)達到了設(shè)計的壓縮量時，螺栓定扭扭矩垂直作用力以及密封墊受壓縮后的作用力擠壓B燈支架后的B燈支架變形量，與在線掃描情況做對比，以此增加尺寸前期辨識B燈支架變形問題的手段。

2.3 建模過程

CAE模型主要的要素是：參與運算的零件、模型的相關(guān)材料參數(shù)、模型的邊界條件。CAE建模過程也是不斷和實際結(jié)果對比優(yōu)化模型邊界條件的過程，見圖3。

由CAE建模的流程展開

1參與運算的零件。參與運算的模型就是在B燈裝配的過程中，影響到B燈支架最終變形結(jié)果的相關(guān)零件即B燈的支架，密封墊、B燈的燈板;

1.1網(wǎng)格化。參與到運算的零件都是需要網(wǎng)格化處理的。網(wǎng)格化其實就是有限元分析法，實際是一種高效能、常用的數(shù)值計算方法。科學(xué)計算領(lǐng)域經(jīng)常需要求解各類微分方程，許多微分方程的解析解很難得到，使用有限元將微分方程離散化后，可以通過計算機編程后使用計算機輔助求解;

2.模型的相關(guān)材料參數(shù)。零件的材料參數(shù)是影響CAE模型的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果的重要因素，準確的材料特性是CAE分析結(jié)果得以可靠的關(guān)鍵。本文中的零件的鈑金的材料是CR3的材料;

3.模型的邊界條件。模型的邊界條件是指CAE模型的約束條件以及荷載條件。

3.1約束條件。約束條件是指限制模型變形的條件，例如零件間的焊接、模型間結(jié)構(gòu)膠作用、限位塊的作用，這些限制作用的結(jié)構(gòu)可以簡化為相關(guān)的區(qū)域限制相關(guān)的自由度;

3.2載荷條件。載荷條件是指裝配過程中的影響模型變形的作用力以及壓強;

2.3.1 CAE模型的約束條件輸入

本文中的模型是僅對B燈已經(jīng)裝配完成，密封墊已經(jīng)壓縮到設(shè)計壓縮量的狀態(tài)進行分析的，所以將帶有預(yù)安裝限位作用的B燈燈板視為剛體，根據(jù)實車的狀態(tài)可知，B燈支架是已經(jīng)通過焊接以及結(jié)構(gòu)膠的作用固定在了后舉門上的，因此我們將B燈支架根據(jù)焊接的區(qū)域約束B燈支架的相關(guān)位置的6個自由度，見圖4，圖5。

2.3.2 CAE模型的荷載條件輸入

本文中的荷載是基于數(shù)模的狀態(tài)進行設(shè)置的，如下圖可知密封墊的是安裝在一圈（下圖黃圈）安裝筋上的。

由于安裝筋凸出的結(jié)構(gòu)，可以判斷密封墊壓縮到設(shè)計狀態(tài)，B燈支架受到密封墊壓縮的作用力，主要是作用在安裝筋區(qū)域的。通過數(shù)模截面測量得到了設(shè)計要求的密封墊壓縮量以及壓縮比。

將壓縮量以及壓縮比匯總以后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計要求的密封墊壓縮比近似為0.5，見表1。

因而根據(jù)設(shè)計壓縮比并參照供應(yīng)商進行實驗分析得到了密封墊在壓縮了50%時的壓縮作用力，表2展示。

根據(jù)匯總的壓縮50%的作用力信息，換算后作為CAE模型的荷載條件輸入，由于安裝筋是等高的，所以我們判斷壓縮量在安裝筋上是相同的，因而將密封墊壓縮的作用力換算成均勻大小的壓強施加在B燈支架上，見圖8。

實際密封墊作用力和網(wǎng)格模型密封墊作用力換算過程：已知密封墊的作用力為定量，實際安裝筋的面積和網(wǎng)格安裝筋面積有偏差，所以通過作用力和網(wǎng)格安裝筋面積求出網(wǎng)格上應(yīng)該施加的壓強大小。

（P密是泡棉壓縮50%的作用壓強，S安裝筋是安裝筋面的面積，n為常數(shù)是鈑金網(wǎng)格對應(yīng)安裝筋位置的網(wǎng)格個數(shù)，S網(wǎng)是網(wǎng)格尺寸的面積大小）

除了輸入密封墊的壓縮作用力外，由于通過實際裝配的過程分析B燈支架裝配是一個受擠壓的過程，因此模型中荷載還需要輸入打緊點的作用力。B燈支架是固定在后舉門上不發(fā)生位移的，因而判斷B燈支架是處于受力平衡的狀態(tài)，即打緊點的作用力合力與泡棉的壓縮力是大小相等方向相反的，見圖9。

3 CAE結(jié)果與在線驗證結(jié)果驗證與結(jié)論

基于在線出現(xiàn)問題的車型A作為驗證對象，在線測量的結(jié)果如圖10可見，B燈在第一打緊點位置變形量有大概0.6mm的變形。

CAE分析的結(jié)果，在第一打緊點位置也發(fā)生了0.6mm的形變，CAE分析結(jié)果如圖11;

從A車型的結(jié)果來看CAE分析的結(jié)果與在線測量的結(jié)果一致。

經(jīng)過多個車型對比后，初步設(shè)定強度標準，CAE分析變形量超過0.3mm的車型作為問題報警。

綜上所述本文以B燈為剛體，僅考慮鈑金的變形來進行CAE的應(yīng)用與研究，可以在項目前期判斷鈑金的變形情況，以達到在設(shè)計階段指導(dǎo)基準數(shù)量及位置的設(shè)置，確認改進方案，來避免在項目啟動階段對零件的修改，減少工程更改費用的目的。

參考文獻：

[1]劉佳鑫，王寶中，龍海洋.CAE技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用與戰(zhàn)略思維[J].機械，2017，（12）.[2017].

[2]宋曉華，李偉.材料特性對轉(zhuǎn)向柱碰撞性能影響的仿真研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，（4）.[2012].