基于ANSYS Workbench對某車門夾具支架的優化設計

陳國娟 趙 云 張新聞 楊 挺 滕 磊

(1.浙江新吉奧汽車有限公司，桐鄉， 314500；2.浙江科技學院, 浙江， 310018）

0 引言

汽車車門由若干形狀復雜的薄板件在裝配線上經過焊接、涂膠、包邊等工藝焊接而成，結構復雜，因此在加工制造過程中，需要較多的夾具進行定位和固定，進而也需要相應數量的夾具支架進行支撐。為滿足夾具支架在車門裝焊時有足夠的剛度和強度來實現準確牢固的裝夾，夾具固定支架的優化設計顯得尤為重要。

隨著產品結構向輕量化方向發展，運用結構優化技術來提升產品性能和降低生產成本的方式的優點越發突出。拓撲優化技術可以利用最少的材料、最簡單的工藝來達成產品結構的最佳性能，廣泛應用于機械制造、航空航天、材料成型設計等領域，是一種根據給定負載、約束條件，在滿足性能指標的條件下，在給定區域內對材料分布進行數學優化的方式。

本文使用CATIA軟件建立夾具支架三維模型，并使用ANSYS中的Workbench模塊對夾具支架結構進行靜力分析的研究以及對支架進行拓撲優化和尺寸優化設計的研究，最終在滿足設計要求的同時，實現了夾具支架輕量化的優化目標。

1 車門夾具支架的三維模型建立

1.1 車門支架設計要求

車門是整個車身結構中相對獨立的部分，也是車身工藝中最復雜的部件。車門生產涉及零件沖壓、零件焊接、零部件裝配、總成組裝等工序，各個工序中的尺寸配合精度和工藝技術要求都非常嚴格。車門系統一般由兩大部分組成:車門總成和車門附件，表1為車門總成零件的信息。

如表1所示，車門由許多表面為曲面、厚度小、表面積大的薄板類零件組成，這些形狀結構復雜的車門零件不同于一般機加工零件，其定位裝夾方法也是不同的。這需要在設計車門夾具和夾具支架滿足三個要求：第一，保證有足夠的裝焊空間，使操作人員有良好的視野和操作環境，焊接生產的全過程處于穩定的工作狀態 ；第二，出于成本和工藝的考慮，支架結構應便于制造，安裝和操作，避免復雜結構的出現，便于檢驗、維修和更換易損零件。設計時還要考慮制品在裝配定位焊接后能順利的從夾具中取出來，還要保證產品在翻轉或吊運時不受傷害；第三，夾具支架應具備足夠的強度和剛度,在裝焊時滿足總變形量小于0.5 mm,使夾具支架在裝焊時定位和裝夾準確并不發生位移。

表1 車門總成零件信息

1.2車門支架參數設置

如圖1所示，在Catia中建立夾具支架的三維模型，夾具支架為對稱結構，支架的底座形狀為一正方形，邊長為140 mm。支架總高為360 mm(包括底板厚度20 mm)，存在一個加強肋，連貫底板和后板。加強肋的寬為20 mm，高為340 mm，長度為360 mm，底板和后板上還有4個直徑為20 mm的銷孔，分布在加強肋兩邊。

圖1 夾具支架的三維模型

2 車門夾具支架的有限元靜力學分析

為了得到夾具支架在正常工況下的變形情況和應力分布情況，同時也為拓撲優化提供依據，首先需要對夾具支架進行有限元靜力學分析。

2.1 材料選擇和網格劃分設置

將夾具支架的三維模型導入到ANSYS中的靜力分析模塊。為了減少車門夾具支架成本和保證其強度，定義支架材料為結構鋼，其彈性模量(楊氏模量)為2×105 MPa，泊松比0.3，屈服強度345 MPa。

設置完夾具支架材料后，對夾具支架進行網格劃分。選擇用六面體網格劃分來減少甚至避免出現沙漏現象。為了得到細致的優化效果，夾具支架的整體網格大小設置為5 mm的粗略劃分，但在可能出現應力集中的位置或工作過程中損壞率高的部分進行網格加密劃分，采用3 mm的網格劃分。如圖2所示，最終顯示支架有限元模型有63萬0 419個單元，16萬7 920個節點。

圖2 劃分網格效果圖

2.2 靜態應力分析

在對夾具支架進行靜力分析前，需要依據其工作特性添加載荷和約束。夾具在工作時，支架底面通過分裝在兩邊的銷孔固定在夾具地板上，所以在ANSYS中設置底面和銷孔為固定約束；車門夾具由四個銷孔固定在支架上，所以在支架后板四個銷孔添加一個與加強肋平行的力，大小約為47 434 N。載荷施加效果如下圖3所示。

圖3 載荷和約束效果圖

載荷和約束添加后，對支架進行應力和總變形進行求解，得出應力最大處為底板、后板和加強肋交界處，最大應力大小為159 Mpa，最大變形的求解結果為0.45 mm，應力效果和變形效果分別見圖4和圖5。

圖4 優化前支架應力效果圖

圖5 優化前支架變形效果圖

3 拓撲優化設計和優化結果驗證

3.1 拓撲優化的設置參數與結果

在設置車門夾具支架拓撲優化的參數和設置時，為了保證其符合最大變形量小于5 mm的設計要求，并盡可能的使其輕量化，需要通過設置遞增的材料去除率(Minimize(保留最大質量)，60%，65%，70%，75%)來保證設計要求和輕量化同時實現，不同保留質量下所對應的應力值和最大變形量如表二所示。最終在保留70%質量為目標時，能同時滿足車門夾具支架的設計要求和輕量化。

3.2 搭建優化后三維模型

按照圖6所示，優化前框架和優化后框架進行對比，可以看到除了優化加強肋下側外，最主要優化部分的是后板和底板靠近加強肋的面，但由于工藝和成本的約束，完全按照拓撲優化結果來切割夾具支架是不符合實際工藝要求的，所以要結合實際工藝要求對支架進行如圖7所示進行切除或保留，不一定需要與拓撲優化結果完全一致。

圖6 拓撲優化效果圖

圖7 最終效果圖

表2 夾具支架不同材料去除率下的最大應力和最大變形量

3.3 驗證新結構的強度和剛度

為了驗證結果，對優化模型施加相同的約束和載荷條件，如圖8和圖9所示，靜力學分析得到最大變形為0.3 184 mm，最大應力為252.36 MPa。總變形量小于設計要求的0.5 mm，最大應力小于材料的屈服強度，滿足了夾具支架的設計要求。

圖8 優化后支架總變形圖

圖9 優化后支架應力圖

4結論

車門夾具支架在裝焊車門時需要保持定位和裝夾的準確，這對其結構的可靠性和穩定性提出了較高的要求。本文利用ANSYS Workbench平臺開展結構優化設計工作，具體對車門夾具支架進行優化設計。

綜上所述，車門夾具的支架結構通過拓撲結構的優化，支架結構的整體質量從12.733 kg減少到10.044 kg，質量減少21.2%。對支架結構優化前后的靜態分析進行對比，新的支架模型的最大變形值為3.18 mm，相較之前模型的4.52 mm變形量縮小了29.5%，變形分布也更加均勻。驗證結果表明在減少支架的質量的同時，改善了支架的力學性能，同時對車門夾具支架的優化包括改進結構、減輕重量、降低成本，具有一定現實意義，并且采用拓撲優化的方法對于同類結構的優化設計具有一定的參考與借鑒意義。