陳丹丹，鄧?yán)^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(shù)在車身工藝同步工程中的應(yīng)用

陳丹丹，鄧?yán)^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(shù)已被廣泛應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)品本身的性能分析，如剛度、強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞、NVH等，隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元仿真技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用在車身工藝同步工程過程中，從而指導(dǎo)車身工藝開發(fā)，降低投資成本。本文以車身工藝項(xiàng)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(diǎn)介紹了有限元仿真技術(shù)在車身工藝同步工程中的應(yīng)用。

有限元仿真；車身工藝；同步工程

0 前言

隨著工業(yè)4.0以及中國(guó)制造2025提出，制造技術(shù)提升已經(jīng)越來(lái)越關(guān)系整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，關(guān)系整個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略。虛擬仿真技術(shù)作為中國(guó)制造2025提出的重要突破領(lǐng)域，其對(duì)于車身制造技術(shù)提升正在并將要發(fā)揮越來(lái)越重大作用。

汽車車身的開發(fā)在整個(gè)汽車產(chǎn)品開發(fā)中占極其重要的地位，其開發(fā)周期直接影響到產(chǎn)品未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同步工程（SE：Simultaneous Engineering），又稱工藝同步工程。是指從新產(chǎn)品開發(fā)的最初階段開始，就盡可能把設(shè)計(jì)和制造聯(lián)系起來(lái)，要求整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程實(shí)施同步、一體化設(shè)計(jì)，促使開發(fā)者始終考慮從概念形成直到用后處置的整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)的所有因素（包括工藝、質(zhì)量、成本、進(jìn)度和用戶要求）的一種系統(tǒng)方法[1]。

目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)車身工藝同步工程CAE的研究應(yīng)用相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較少，而對(duì)于沖壓工藝同步工程CAE研究已經(jīng)有大量的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]探討了沖壓成形CAE技術(shù)在汽車車身開發(fā)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用狀況，文獻(xiàn)[3]以某車型前圍蓋板內(nèi)板在設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮其沖壓工藝為例，介紹了沖壓工藝同步工程CAE技術(shù)在車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文將結(jié)合具體事例，介紹有限元仿真技術(shù)在車身工藝產(chǎn)品同步工程的應(yīng)用。通過車身工藝項(xiàng)目中遇到的具體案例，發(fā)現(xiàn)制造過程中車身零部件總成可能發(fā)生問題，總結(jié)并歸納CAE分析類型及其中關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。通過有限元仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)縮短項(xiàng)目周期，提高產(chǎn)品可制造性和易制造型，提高規(guī)劃及制造質(zhì)量，降低項(xiàng)目投資及運(yùn)營(yíng)成本，從而實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動(dòng)工藝開發(fā)。

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(fù)雜微分方程近似的一種有效的工具，是現(xiàn)代數(shù)字化科技的一種重要基礎(chǔ)型原理。將它應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)中，可成為工程設(shè)計(jì)和分析的可靠工具。傳統(tǒng)的產(chǎn)品性能有限元分析流程如下圖1所示：通過導(dǎo)入幾何模型到有限元前處理軟件（比如Hypermesh、ANSA等）進(jìn)行前處理，包括對(duì)集合模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料屬性；而后再根據(jù)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(jì)算控制參數(shù)后，便可將模型提交有限元求解器求解，目前常見的結(jié)構(gòu)分析求解器有Nastran、OptiStuct、Lsdyna、Abaqus等，工程師需要根據(jù)具體的分析類型選擇相應(yīng)的求解器；求解之后，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，提取需要的結(jié)果。而后，工程師需要根據(jù)產(chǎn)品性能要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)于不滿足性能要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要對(duì)其進(jìn)行更改。產(chǎn)品更改后，重新分析進(jìn)行判斷。通過以上流程可知：產(chǎn)品性能有限元分析就是對(duì)產(chǎn)品分析、更改、再分析的一個(gè)循環(huán)過程，直至產(chǎn)品性能達(dá)到要求。

車身工藝同步工程過程是平衡產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的一個(gè)同步過程，它涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)，更偏重制造工藝，因此車身工藝產(chǎn)品同步過程有限元仿真分析流程與傳統(tǒng)車身性能分析流程有不同之處。車身工藝產(chǎn)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(duì)無(wú)法滿足制造要求的工況，可通過兩種途徑來(lái)解決：一是工藝更改，二是產(chǎn)品更改。而具體通過哪種途徑解決，需要由工藝工程師、產(chǎn)品工程師等多方共同評(píng)估解決。針對(duì)工藝更改仍無(wú)法滿足制造要求的情況，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的不可制造問題，則必須進(jìn)行產(chǎn)品更改。涉及到產(chǎn)品更改時(shí)，需要由工藝工程師、仿真工程師、產(chǎn)品工程師協(xié)同解決。當(dāng)然，有時(shí)候也需要產(chǎn)品和工藝同時(shí)更改，才能滿足制造需求。在產(chǎn)品或工藝更改時(shí)，還會(huì)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(chǎn)品性能乃至產(chǎn)品造型等多方面因素，其本質(zhì)是產(chǎn)品與制造工藝的同步協(xié)同。

圖1 有限元仿真技術(shù)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(shù)的應(yīng)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(gè)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(gè)完整的車體結(jié)構(gòu)。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(yù)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(chǎn)生的零件變形，對(duì)制造工藝、制造策略及投資成本均有可能產(chǎn)生一定影響。因此，在車身工藝同步過程中，需要針對(duì)各種制造工況，前期評(píng)估識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)車身工藝開發(fā)，降低投資成本。根據(jù)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(tài)放置

在車身生產(chǎn)時(shí)，門蓋閉合件與車身的匹配不僅影響到車身安裝，同時(shí)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(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在車身車間門蓋線旁通過檢具，來(lái)檢查、監(jiān)控門蓋的生產(chǎn)質(zhì)量。雖然門蓋總成靜態(tài)放置在檢具上的變形量大小仍然在彈性范圍內(nèi)，但其變形量的大小不僅會(huì)影響到檢具對(duì)門蓋總成與車身零部件匹配的檢查，同時(shí)，過大的變形量，也不符合檢舉設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)門蓋總成在線旁檢具時(shí)的靜態(tài)變形分析，可以指導(dǎo)檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)。比如，后蓋總成在檢舉上的基準(zhǔn)有三點(diǎn)高低向支撐改為四點(diǎn)支撐后（圖示紅圈），其變形量不僅大大減小，同時(shí)也達(dá)到檢具設(shè)計(jì)的要求。因此通過前期同步工程的CAE分析，可以達(dá)到指導(dǎo)線旁檢具設(shè)計(jì)的目的。

圖3 檢具三點(diǎn)支撐約束

圖4 三點(diǎn)支撐變形云圖

圖5 檢具四點(diǎn)支撐約束

圖6 四點(diǎn)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(gè)運(yùn)動(dòng)過程，但由于其運(yùn)動(dòng)過程是低速、勻速運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)其仿真可以簡(jiǎn)化為線性靜態(tài)分析，采用常用的有限元求解器Optistruct或Nastran進(jìn)行求解。施加邊界條件時(shí)可以約束零部件的抓料點(diǎn)，根據(jù)抓料或傳輸時(shí)零件的不同姿態(tài)施加相應(yīng)方向的慣性載荷。針對(duì)分析工況提出相應(yīng)的工藝或產(chǎn)品更改方案。例如，機(jī)器人抓側(cè)圍內(nèi)版總成上運(yùn)輸小車時(shí)，根據(jù)工藝工程師輸入的抓料點(diǎn)進(jìn)行約束，如圖3.5所示，由于抓料時(shí)側(cè)圍內(nèi)板為平躺狀態(tài)，因此，施加Y向重力載荷。根據(jù)分析結(jié)果，如圖3.6所示，在后部區(qū)域出現(xiàn)較大應(yīng)力，這已大大超出材料屈服極限，究其原因，機(jī)器人在抓料過程，由于側(cè)圍內(nèi)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(chǎn)生較大的拉拽變形，因此在后部需要增加抓料點(diǎn)，增加的抓料點(diǎn)如圖3.7所示。增加抓料點(diǎn)后，其應(yīng)力云圖如3.8所示。由圖可知，其側(cè)圍后部區(qū)域的也已經(jīng)降低到屈服極限一下，達(dá)到制造要求。

圖7 約束點(diǎn)

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 增加抓料點(diǎn)后約束圖

圖10 增加抓手后的應(yīng)力云圖

當(dāng)側(cè)圍內(nèi)版總成通過運(yùn)輸小車傳輸至內(nèi)總拼線時(shí)，在傳輸過程中，存在較大的變形或零件應(yīng)力較大。下圖所示3.9所示搭接區(qū)域應(yīng)力已超出屈服極限。對(duì)于工廠來(lái)說(shuō)，運(yùn)輸小車往往是共用的，因此通過更改運(yùn)輸小車固定點(diǎn)位置來(lái)達(dá)到制造要求將會(huì)產(chǎn)生較大成本，因此可協(xié)調(diào)通過更改產(chǎn)品使其達(dá)到制造要求，從而降低投資成本。對(duì)圖3.9應(yīng)力較大（所圈區(qū)域）的區(qū)域進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)，增加其搭接長(zhǎng)度。更改后，產(chǎn)品的應(yīng)力下降到材料屈服極限內(nèi)，達(dá)到要求，如圖3.10所示。

圖11 側(cè)圍內(nèi)板總成應(yīng)力云圖

圖12 產(chǎn)品更改后的應(yīng)力云圖

2.3 預(yù)裝

車身制造過程中，有些零件總成需要對(duì)其先進(jìn)行預(yù)裝，再后一道工位對(duì)其焊接或安裝。比如，后端板總成先通過搭扣敲緊進(jìn)行預(yù)裝，再由機(jī)運(yùn)傳輸?shù)较乱坏拦の贿M(jìn)行焊接或螺栓打緊。而在機(jī)運(yùn)急停過程中，如果搭扣敲緊后搭接強(qiáng)度不夠，將會(huì)導(dǎo)致后端板跌落，影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，這將會(huì)直接影響生產(chǎn)工藝排布。尤其是對(duì)于后防撞桿與后端板作為同一總成級(jí)別，由于后端板質(zhì)量增加及其質(zhì)心后移，其跌落的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增加。在車身工藝同步過程中，通過CAE對(duì)搭扣的強(qiáng)度進(jìn)行分析，可前識(shí)別在制造過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期解決問題。由于該過程屬于瞬時(shí)急停工況，可通過Ls-dyna對(duì)其進(jìn)行有限元仿真分析，了解后端板的變形以及搭扣的應(yīng)力應(yīng)變，從而指導(dǎo)搭扣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化搭扣的分布，以及規(guī)劃合理的制造策略，節(jié)約制造成本。

圖13 后端板變形云圖

2.4 合裝

對(duì)于門蓋折邊工藝，較小的翻邊角度，可減少預(yù)折邊及其設(shè)備投資。然而，門蓋翻邊角度越小，內(nèi)外板合裝時(shí)干涉量越大，其發(fā)生永久變形的可能性也越大。因此，合裝時(shí)可先通過吸盤吸開外板使其張開一定角度，再將內(nèi)板合裝進(jìn)入外板。通過有限元仿真，有效預(yù)測(cè)翻邊展開及其內(nèi)外板合裝全過程中可能發(fā)生的永久變形，同時(shí)通過優(yōu)化翻邊造型、吸盤布置和行程以及內(nèi)外板合裝路徑等，尋找合理的解決方案，從而達(dá)到優(yōu)化折邊工藝，并減少投資成本的目的。仿真時(shí)，采用Ls-dyna求解對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，根據(jù)工裝的固定方式進(jìn)行約束施加，根據(jù)吸盤的作用行程施加相應(yīng)的位移載荷，在施加載荷時(shí)，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(nèi)。由于外板被吸開后產(chǎn)生變形，需要多次試算調(diào)試出內(nèi)板最佳的上料路徑，使得外板變形最小。在外板變形最小時(shí)，如果仍然不滿足要求，需要根據(jù)結(jié)果優(yōu)化產(chǎn)品或折邊工藝等。因此，通過該分析，可在工藝開發(fā)早期預(yù)知產(chǎn)品的制造策略，從而平衡產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造投資成本，指導(dǎo)工藝開發(fā)。

圖14 前蓋合裝后應(yīng)力云圖

2.5 跌落變形

零件或總成跌落時(shí)，存在變形問題，這也越來(lái)越引起工藝工程師的關(guān)注，比如對(duì)于沖壓過程中，對(duì)單板進(jìn)行跌落變形分析。在車身車間，當(dāng)總成以一定高度落到工裝時(shí)，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(jī)運(yùn)工裝時(shí)，有可能造成車身定位孔的永久變形。通過Ls-dyna對(duì)該自由落體過程進(jìn)行仿真分析，考察零件定位孔的強(qiáng)度及變形，指導(dǎo)車身工藝開發(fā)。

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(chǎn)生熱量以及零件帶膠烘烤后膨脹均會(huì)使零件產(chǎn)生一定的變形，從而影響制造過程中產(chǎn)品的定位及尺寸表現(xiàn)。工裝裝夾位置及順序，點(diǎn)焊順序，膠等因素對(duì)零件的變形均有不同程度的影響。通過CAE仿真，合理預(yù)測(cè)制造過程中產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)問題，針對(duì)可能發(fā)生尺寸偏差區(qū)域提前做識(shí)別。指導(dǎo)和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)。但由于影響因素多樣而復(fù)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(fù)雜模型的建立，同時(shí)膠的變形往往變現(xiàn)出復(fù)雜的超彈性，在仿真中其材料模型的準(zhǔn)確建立還比較困難，因此通過CAE仿真預(yù)測(cè)這些復(fù)雜工藝過程的變形，仍然處于不斷研究中。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展以及推廣應(yīng)用，有限元仿真技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用在車身工藝的同步過程中，并且將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。在車身工藝同步工程中，運(yùn)用有限元仿真技術(shù)，便于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)識(shí)別制造問題，指導(dǎo)車身工藝開發(fā)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(lái)越成為車身工藝工程師在規(guī)劃工藝時(shí)需要迫切考慮的問題。

本文重點(diǎn)介紹了車身工藝產(chǎn)品同步工程過程中有限元分析的應(yīng)用。目前，對(duì)于靜態(tài)放置、上料、抓料等的車身有限元分析中靜態(tài)線形分析方法已經(jīng)比較成熟，零件的預(yù)裝、合裝和跌落分析也正在不斷研究，且逐漸運(yùn)用在車身工藝同步工程中，對(duì)于焊接熱變形、膠的膨脹變形等的分析，仍然需要進(jìn)一步研究。車身工藝是一個(gè)復(fù)雜的過程，隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，其必將越來(lái)越多地運(yùn)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(dǎo)車身工藝開發(fā)。

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

[2] 鄒素平.板料成形CAE技術(shù)在車身設(shè)計(jì)同步工程中的應(yīng)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(shù)在汽車車身開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國(guó)城市經(jīng)濟(jì),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?yàn)槠囍圃旒夹g(shù)。