復雜工況下后保險杠蒙皮安裝過程的形變分析

方旻婧，雷紫嫣

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

引言

可變形零件在汽車內外飾有著廣泛的運用。在運用有限元仿真方法對該類型零件的安裝過程進行分析前，多賦予該類零件剛體屬性進行簡易分析，在實際裝配過程中易產生不可預測的干涉、裝配困難等問題。

通過數字化虛擬仿真技術，在前期工藝規劃階段針對可變形零件進行本體在裝配過程的形變動態分析和多個零件間的接觸分析，以此為基礎優化產品結構和裝配工藝，在實物造車之前解決該類零件安裝困難等問題，可提高對零件可建性評估的準確性，不斷前移可制造性和易制造性的問題評估、發現和解決的時間節點，減少后期的制造風險，降低后期的模具更改費用。

1 背景介紹

在以往的車型中常出現受造型設計或零件剛度等影響導致的后保險杠蒙皮各類安裝問題。本案例中針對不同設計狀態的后保險杠蒙皮進行裝配仿真，并進行仿真分析結果與實物驗證結果的一致性驗證。

2 復雜工況下后保險杠蒙皮安裝案例

案例中主要運用了Hypermesh與LS-DYNA接口進行有限元建模和分析。Hypermesh軟件具有強大的有限元網格劃分前處理功能，可與眾多CAD系統和有限元求解器進行數據交換進行前后處理工作。LS-DYNA是功能齊全的幾何非線性（大位移、大轉動和大應變）、材料非線性（140多種材料動態模擬）和接觸非線性（50多種）的顯式動力學有限元程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結構分析為主，兼有熱分析、流體—結構耦合功能；以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能（如動力分析前的預應力計算和薄板沖壓成型后的回彈計算）。在汽車工業領域主要涉及整車碰撞、汽車部件分析、制造過程的模擬。本文使用Hypermesh的LS-DYNA用戶模板可以滿足變形零件安裝過程中的材料動態模擬和接觸模擬。分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

2.1 數模處理

在獲取后保險杠蒙皮數模后，使用UG軟件對實體數模進行中性面提取。打開Menu，選擇Insert中的Surface進行曲面操作，在Surface操作中選擇Midsurface - Face Pairs生成中性面，如圖2所示。

圖2 中性面提取

在完成數模中性面提取后，對蒙皮支架上的卡子結構進行優化建模，完成的模型如圖3所示。

圖3 卡子建模

2.2 前處理

第一步：劃分網格。由于自動劃分網格的方法產生的三角形單元比較多，會造成網格過剛（exceed stiff）的現象，表現為三角形單元應力集中。為了使運算更精確，后保險杠蒙皮使用size and bias方法進行網格劃分，網格大小設置為5 mm。

第二步：創建材料庫（material）。為后保險杠蒙皮創建1號彈性材料，賦予其密度、楊氏模量與泊松比；為其他輔助剛性零件創建20號剛體材料，同樣賦予其密度、楊氏模量與泊松比等參數（Hypermesh軟件默認單位：t，mm，s，N，MPa）。

第三步：設置截面（section）參數。由于后保險杠蒙皮和支架卡子均為薄壁結構，所以為其創建了殼單元模型（Sect Shll），可以較快地得到收斂的穩定解；使用16號全積分殼單元算法進行運算，該算法對于大形變分析最穩定，可以處理翹曲幾何問題，且運算速度非常快；設置剪切系數0.8667；設置厚度方向積分點數3；設置殼厚度2.5。

第四步：零件（Part）關聯。將前步創建完成的材料和截面賦予至相關零件。

第五步：定義接觸。首先定義后保險杠蒙皮和支架的接觸，由于后保蒙皮和支架為殼單元邊緣接觸，在分析過程中容易發生穿透現象，所以需要為其邊緣創建無效材料梁單元（null beam），使殼單元的邊緣接觸分析受控于該梁單元的參數。先分別為后保蒙皮和支架的邊緣梁單元創建新的Component，并設為當前工作文件，打開1D-bars編輯器，在bar2中選取兩點定義梁的節點，并在orientation中確定法向方向，如圖4所示；定義梁后，創建9號null材料和梁單元截面（Sect Beam），并賦予梁。其次創建接觸對，在Analysis- entity set中選擇已創建的兩個無效梁單元，然后在Analysis- interfaces中選擇create/edit創建類型為Automatic General的接觸對，再選擇add將梁單元的entity set更新至接觸對中，并設置接觸作用時間（BT）為20秒。最后設置后保險杠蒙皮與卡子之間的接觸，先對蒙皮和支架卡子接觸處分別創建點集，在1D編輯器中選擇rigids用剛性連接簡化建模，創建為約束點剛體（constrained nodal rigid bodies）模型。

圖4 定義梁單元

第六步：創建后保險杠蒙皮的旋轉安裝軌跡，目的是模擬現場安裝時后保險杠的運動限制面。首先創建一個component并設置為當前文件，在1D-fe joints中使用約束旋轉鉸鏈模型（constrained joint revolute），選取兩個節點并定義鉸鏈為球鉸（spherical）。最后約束所選點的自由度。如圖5所示。

圖5 鉸鏈設置

第七步：定義載荷，為更精準地模擬實際裝配過程，載荷需分步加載。首先針后保險杠蒙皮安裝的第一步操作進行定義，即在蒙皮和支架接觸之前，先將后保蒙皮兩側拉開使安裝孔與支架卡子對齊的操作。為實現該步裝配，需在Analysis - constraints中創建載荷，其中指定受力點集、放大系數和受力曲線，而實際加載數值由放大系數和曲線乘積決定。在entities set中創建后保上需要拉開部分的點集，并使用XYPlots創建加載曲線，該加載曲線定義為與實際操作—拉開蒙皮對齊支架后松手—一致的工況即先為斜率接近于0的線性加載載荷，在稍作保持后幾乎瞬時釋放，如圖6所示。接著定義第二步在后保上持續施力直至后保蒙皮按壓到位的操作，由于過程中后保繞定義的鉸鏈運動，按壓力為隨動力，因而利用軟件中的Analysis- forces的隨動載荷定義該力，方法為在后保分別選取3個受力點，如圖7所示，確定其法線方向為加載方向，并將這3個點的受力設置成與實際安裝工況接近的隨動載荷。載荷大小參照人機工程相應的標準，定義為操作工在安裝后保姿態下的最大允許載荷，創建受力曲線并導入。

圖6 后保險杠蒙皮拉開操作受力曲線

圖7 拉開載荷及隨動載荷受力點設置

最后進行輸入和輸出控制設置。使用Analysis-control cards分別設置以下內容：能量控制（HGEN 2，RWEN 2，SLNTEN 2，RYLEN 1）、殼體控制（WRPANG 20.0，ESORT 1，IRNXX-1）、計算時間長度控制（ENDTIM 10.0）、接觸控制（SLSFAC 0.9，ISLCHK 1，ORIEN 1，NSBCS 1000，INTERM 1，XPENE 4.0）、云圖時間歷程數據輸出（DT 0.01）、曲線時間歷程數據輸出（DT 0.01）。

2.3 求解運算

至此所有的前處理設置已經完成，將配置文件、材料數據文件整理后將文件夾提交至云計算進行求解，中途無報錯且任務狀態提示成功時即表示計算完成。

2.4 后處理

將云計算中得出的d3plot歷程數據文件導入hyperview軟件，輸出控制中對云圖時間歷程數據輸出的設置決定了仿真結果的運行步數和動畫的幀數。打開Fcomp選項的von Mises stress云圖查看零件的應力，確保單元的應力不超過材料的屈服極限；輸出動畫查看零件安裝過程的狀態，檢查在既定載荷和約束的條件下該零件是否能夠順利安裝，對云圖和動畫的查看如圖8所示。

圖8 應力云圖查看

對設計狀態更改前后的后保險杠蒙皮模型進行分析結果比較。原設計結構在分析時無法將后保險杠蒙皮安裝至支架上，即出現零件不可建問題；設計更改后，在原有支架的基礎上，增加了導向特征，使得蒙皮在安裝過程可通過導向結構滑入鈑金與支架的間隙，在相同的載荷和約束條件下進行分析，結果為安裝可行。設計更改前后的安裝狀態仿真結果如圖9和圖10所示。

圖9 原設計—最終狀態為蒙皮無法安裝至支架

圖10 設計更改后—最終狀態為蒙皮可安裝至支架上

2.5 實物驗證對比

基于有限元分析結果確定了對產品結構的優化改進方案，并在后續制作了前后對比樣件進行實車的安裝驗證，樣 件如圖11所示。樣件實車裝配階段得出的零件可安裝性結果及操作人員的易安裝性結果，與有限元分析結果一致，表明了使用有限元虛擬仿真方法對可形變零件安裝分析的可行性與準確性。

圖11 優化設計前后的樣件

3 總結

（1）對后保險杠蒙皮這一典型汽車可形變零件進行的有限元虛擬仿真達到了對產品可建性分析的預期效果。通過分析暴露了該零件原設計結構的不可建問題并且基于分析結果進行了產品優化使其滿足制造要求，分析結果的準確性在樣件實物裝配階段得到驗證。

（2）有限元仿真技術可以作為前期工藝規劃的有效工具，對可形變零件進行更準確的裝配過程分析，前移發現和解決各類相關制造問題的時間節點，減少該類零件問題向后續階段的流出，降低后期實車驗證階段的制造風險和零件更改成本。