基于有限元虛擬評估的車身后端板預裝搭扣尺寸優化

張悅，沈琪，石文，甘志剛，姚舜文

基于有限元虛擬評估的車身后端板預裝搭扣尺寸優化

張悅，沈琪，石文，甘志剛，姚舜文

（上汽通用汽車有限公司，上海 201201）

在車身工藝同步工程階段采用有限元虛擬評估方法，對后端板預裝搭扣進行仿真分析，發現預裝零件在運輸過程中存在掉落風險。通過對預裝搭扣進行尺寸優化，使其滿足制造要求。通過在產品設計階段提前識別制造質量風險，避免零件后期更改造成的修模等制造成本的增加，從而達到提升制造質量、降低制造成本的目的。

有限元；車身；后端板；預裝搭扣；尺寸優化

引言

隨著工業4.0以及中國制造2025的提出，制造技術的提升已經越來越關系到國家創新水平整體的提高，關系到整個國民經濟的發展。虛擬仿真技術作為智能制造的重要技術突破領域，其對于整車制造技術的提升正在發揮越來越重要的作用。同時消費者對轎車質量的要求越來越高，如何運用創新突破傳統質量提升瓶頸是汽車業面對的重要課題。

同步工程是將整個開發、工程、制造等階段進行“頂層設計”，把研發、試驗、試制、制造、工藝、質量等環節系統性地結合起來，將沖壓、焊接、涂裝、總裝等問題提前至設計階段，開發人員和工程人員協同處理，使產品研發和后期的工藝實施、商品化等實現無縫對接，消除重大工程問題，達到降低的開發周期及成本的目的[1]。

隨著虛擬仿真技術的發展和車身智能制造的要求，有限元技術已逐漸應用于車身制造中的各種工況。通過在工藝同步工程中有限元仿真技術的應用，便于提前識別制造復雜工況下的零件變形造成的制造質量問題，文獻[2]介紹了有限元仿真技術在車身制造中的各種應用工況，并簡單介紹了預裝有限元分析的應用。

本文在車身工藝早期同步工程階段，通過對車身制造過程中后端板預裝搭扣進行仿真分析，對制造質量風險進行提前識別，同時根據分析結果，對搭扣尺寸進行優化分析，并根據優化結果提出了搭扣改進意見，指導了零件設計。

1 后端板預裝

根據不同車型的裝配順序和工藝布局、節拍等的要求，車身制造過程中往往需要將一些零件或總成通過搭扣預裝在車身上，然后通過機運傳輸至后續的定位焊工位進行焊接，比如車身側圍，落水槽，后端板，車頂橫梁等。如下圖1所示，為某車型后端板通過4個搭扣與車身本體進行預裝，由于后端預裝搭扣受力方向與車身運輸方向為同一個方向，因此在后端預裝后并且和車身本體沒有焊接之前，后端板只通過搭扣受力在工位之間通過機運傳輸，在傳輸過程中會經歷加速，減速甚至急停等工況，如果搭扣強度不足以支撐零件的運輸或自重慣性，將造成搭扣在運輸中變形，嚴重時引起后端板運輸過程中掉落，甚至引起生產線設備停機等風險。因此搭扣的設計對于零件預裝的可靠性具有重要的影響。

圖1 某車型后端板預搭扣布置

傳統的評估方法依靠經驗對搭扣的設計進行評估，這不但依賴于工程師的經驗，且可靠性不高，容易造成質量問題遺留到產品實物驗證階段，從而引起零件修模等制造成本的增加。同時，隨著現代車型設計的復雜性和多樣性增加，每個車型零件總成的質量分布不同，并且不同生產工廠節拍不同造成機運速度的不同，這些因素導致對預裝零件的搭扣設計依靠經驗進行有效評估的難度增加。因此，迫切需要通過理論的數值模擬方法對預裝搭扣在工藝同步工程階段進行可靠性評估，從而在產品早期設計階段識別制造質量風險，通過對產品在設計階段進行優化，避免零件后期更改引起制造成本的增加，提升了設計的可靠性。

2 預裝有限元虛擬評估

后端板預裝有限元虛擬仿真需要評估零件在機運加速、急停等瞬間動態過程的變形及應力情況，因此采用適合動態分析的有限軟件Ls-dyna進行求解。在同步工程中，通過與產品開發部門協同，獲取產品性能分析的有限元網格模型?？紤]到評估對象主要為后端板，為提升計算效率，在保證后端板接觸邊界的前提下，采用后部截斷模型進行分析求解，如下圖2所示。

預裝搭扣有兩種狀態，即產品設計狀態和制造狀態，如下圖3和4所示。設計狀態即搭扣零件沖壓成形后的狀態，制造狀態即搭扣完成預裝后的狀態。預裝有限元虛擬仿真需評估后端板預裝完成后運輸過程的穩定性，因此，需將搭扣產品設計模型轉換到制造評估模型，可通過有限元前處理軟Hypermesh直接對網格進行編輯完成模型處理，同時為準確模擬搭扣制造狀態，需保證搭扣與后端板處于正好接觸且不干涉的狀態。模型處理好之后，根據實際制造過程完成模型中邊界條件的建立，包括搭扣與后端板的接觸和相關接觸參數的設置以及運輸速度曲線的輸入。

圖2 預裝有限元模型

圖3 搭扣產品設計狀態

圖4 搭扣產品制造狀態

通過將上述模型提交至Ls-dyna計算求解，可得到預裝搭扣以及后端板在運輸過程中的應力和位移分布，如下圖5和6所示。由下圖5可知，預裝模型在運輸過程中最大應力達547.6MPa，最大應力發生在搭扣位置，該應力已超出搭扣材料的屈服極限420MPa；而通過圖6位移云圖可知，后端板最大位移可達97.4mm，且后端板已搭扣已經脫離。綜上，根據零件的應力和位移云圖綜合判斷，后端板通過搭扣預裝后在運輸過程中存在掉落風險，需通過進一步設計優化避免該風險在后續產品實物驗證中發生。

圖5 預裝模型應力云圖

圖6 預裝模型位移云圖

3 預裝搭扣尺寸優化

根據上述分析結果和產品設計要求，考慮到上部搭扣對于后端板的支撐作用更明顯，對上圖1所示的1號搭扣和4號搭扣進行尺寸優化，搭扣尺寸由之前的12*15mm優化至20*15mm，如下圖7所示。同時，針對優化后的搭扣進行有限元仿真校核，通過模型的修改及有限元重新計算求解，可得出優化后的預裝模型應力云圖和位移云圖，如下圖8和9所示。由下圖8可知，預裝模型在最大應力達207.5MPa，最大應力發生在搭扣位置，該應力未超出搭扣材料的屈服極限420MPa；通過圖9位移云圖可知，后端板運輸過程中最大位移20.8mm，且后端板未脫離搭扣，零件未發生塑性變形，后端板完成運輸后將回到初始位置。因此，搭扣尺寸優化后，后端板運輸過程中無掉落風險。

圖7 搭扣尺寸優化前后對比

圖8 預裝模型應力云圖-尺寸優化后

圖9 預裝模型變形云圖-尺寸優化后

綜上，根據上述分析結果，可得到搭扣尺寸優化前后仿真結果對比，如下表1所示。由下表1可知，通過將1#搭扣和4#搭扣尺寸由12*15mm優化至20*15mm后，搭扣的最大應力由547.6MPa下降至207.5MPa，應力降幅達62.4%；運輸過程中后端板最大位移有90.7mm降至20.8mm，位移降幅77.1%，并且在零件設計早期消除了制造過程中零件預裝的掉落風險。

表1 搭扣尺寸優化前后仿真結果對比

4 小結

通過有限元虛擬仿真技術對制造工況的后端板搭扣預裝進行仿真分析，提前預測零件預裝在制造中的掉落風險，并根據仿真結果對搭扣尺寸進行優化，降低了制造過程中零件的應力和變形，通過零件在設計階段的優化，達到了消除制造過程中制造質量風險的目的。

在工藝同步工程階段運用有限元仿真技術，針對由于產品設計造成的潛在的制造質量問題進行合理預測，并在設計早期優化零件尺寸或結構，對于縮短開發周期，避免在產品實物驗證階段造成的質量問題引起零件修模、物料、調試等制造成本的增加具有重要的理論指導意義。

[1] 李成瑤.同步工程之總裝工藝應用[J].工業技術,2018(2), 75-76.

[2] 陳丹丹,鄧繼濤,陳錫榮,等.有限元仿真技術在車身工藝同步工程中的應用[J].制造業自動化,2017(8):69-73.

Rear End Panel Toytab Dimension Optimize Based on Finite Element Analysis

Zhang Yue, Shen Qi, Shi Wen, Gan Zhigang, Yao Shunwen

（SAIC-GM Corporation, Shanghai 201201）

Using finite element analysis for Rear End toytab dimension study in Body process simultaneous work, find potential part drop issue and lead to optimize the dimension of these toytabs, By using finite element analysis in product design phase can distinguish the manufacturing risk in advance, reduce the cost for product change in Launch phase and raise the build quality.

Finite element; Body; Rear end panel; Pre-install toytab; Dimension optimize

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.046

U462.1

A

1671-7988(2021)03-151-03

U462.1

A

1671-7988(2021)03-151-03

張悅，就職于上汽通用汽車有限公司。