基于ANSYS的車身柔性薄板焊裝夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)*

武 福，王曉峰，朱正凱

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161002)

1 引 言

薄板沖壓件焊裝夾具廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)及家用電器等工業(yè)，焊裝夾具的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到整個(gè)產(chǎn)品的制造偏差, 薄板焊裝夾具與通用的機(jī)加工夾具存在顯著的區(qū)別，它不僅要滿足精確定位的共性要求，還要充分考慮薄板沖壓件的易變形性和沖壓制造偏差較大的特征，以適應(yīng)于產(chǎn)品的高質(zhì)量要求。許多學(xué)者在薄板焊裝夾具的設(shè)計(jì)上開展了大量的工作，提出了一些新型的薄板沖壓件焊裝夾具的設(shè)計(jì)理論和方法，取得了顯著的效果。

目前對于焊裝夾具設(shè)計(jì)的研究，大量的文獻(xiàn)論述了剛性件的夾具設(shè)計(jì)，但關(guān)于薄板柔性件的夾具設(shè)計(jì)研究涉及較少，特別是考慮加工載荷作用下工件變形的夾具設(shè)計(jì)的研究幾乎沒有[1-2]。筆者在“N-2-1”定位原理的基礎(chǔ)上,建立了適合車身焊接工藝的工件定位點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型,提出了一種可以快速確定工件定位點(diǎn)位置以及夾具布局方案的設(shè)計(jì)流程和方法，并利用ANSYS有限元軟件對模型進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型和方法將為薄板焊接夾具的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)意義。

2 柔性薄板定位原理

由于薄板件柔性較大，在加工載荷下容易變形，在工業(yè)生產(chǎn)中可能導(dǎo)致較大的尺寸偏差。因此，在傳統(tǒng)的剛性夾具設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用的“3-2-1”的定位原理難以解決薄板件焊裝質(zhì)量精度難以控制的問題。

針對夾具定位點(diǎn)優(yōu)化布局問題，已經(jīng)有研究者提出了優(yōu)化選擇工件定位布局的方法。方法中以定位點(diǎn)到被加工特征關(guān)鍵點(diǎn)的誤差傳遞系數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，采用特征值優(yōu)化方法，較為真實(shí)的反應(yīng)了優(yōu)化參數(shù)，能夠滿足各個(gè)代加工特征定位精度要求。但是這種方法還是基于傳統(tǒng)的“3-2-1”的定位原理，并未討論薄板件焊裝所需要解決的柔性較大、工件易變形等問題，“N-2-1”定位原理能夠較好的滿足薄板件焊裝加工定位的精度要求，因此考慮基于“N-2-1”定位原理進(jìn)行定位點(diǎn)優(yōu)化分析。

如圖1所示，圖中P1、P2是2個(gè)定位銷，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6是6個(gè)定位塊。圓銷P1限制了薄板沿X向和Y向的平移，長孔中的銷P2固定了薄板繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)[3-4]。

圖1 夾具“N-2-1”定位示意圖

3 柔性薄板焊裝夾具布局優(yōu)化有限元模型

焊裝夾具系統(tǒng)由m個(gè)夾具布局設(shè)計(jì)元件組成，每一個(gè)夾具元件都與工件表面相接觸,其中P1、P2是2個(gè)定位銷，Z1到ZL是L個(gè)定位塊，C1到CK是K個(gè)夾緊塊，定位塊和夾緊塊上都有相應(yīng)的夾頭，該布局分析模型中共有L+K+2個(gè)夾具布局設(shè)計(jì)元件，F(xiàn)1是作用在柔性件上的集中力，因此焊裝夾具的布局設(shè)計(jì)就歸結(jié)為對這些夾具元件位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過最優(yōu)選擇夾具布局設(shè)計(jì)元件的位置來減小零件上的集中力所引起的零件變形，車身零件焊裝夾具布局優(yōu)化模型可簡化為如圖2所示。

圖2 柔性薄板焊裝夾具布局優(yōu)化模型示意圖

由于在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)大多選擇零件上的工藝孔，因此在進(jìn)行夾具元件位置優(yōu)化時(shí)定位孔的位置通常為定植。因此在優(yōu)化分析時(shí)只需考慮L個(gè)定位塊和K個(gè)夾緊塊的位置，即確定n=K+L個(gè)夾具布局設(shè)計(jì)元件的位置。在現(xiàn)代汽車車身制造工藝中，定位塊和夾緊塊都有相應(yīng)的夾緊機(jī)構(gòu)，從柔性件焊裝偏差分析來看，定位元件和夾緊元件對零件焊裝偏差的影響是相同的，因此在進(jìn)行有限元分析時(shí)，可將焊裝夾具的定位塊和夾緊塊作為柔性件的固定邊界條件，其位置用變量Vj(j=1～n)來表示。

根據(jù)有限元分析理論，可以得到柔性件節(jié)點(diǎn)位移和承受載荷的關(guān)系式：

[K]{a}={F}

(1)

式中:K為柔性件整體剛度矩陣，a為柔性件節(jié)點(diǎn)位移矩陣，F(xiàn)為柔性件所承受的載荷矩陣，其中n個(gè)觀測控制點(diǎn)的位移記為an，通過將已知節(jié)點(diǎn)位移的自由度消去，得到一組修正方程，用以求解其他待定的節(jié)點(diǎn)位移。因此上式可以重新組合為：

(2)

式中：am為未知節(jié)點(diǎn)位移;an為已知節(jié)點(diǎn)位移，即n個(gè)夾具布局元件對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移。

因此由上式可得：

Kmmam+Kmnan=Fm

(3)

由于an為已知的節(jié)點(diǎn)邊界約束，最后的求解方程可寫為：

(4)

因此可以得到r個(gè)觀測控制點(diǎn)的偏差變形量，其中第j個(gè)控制點(diǎn)的偏差可寫為:

(5)

在式中，載荷列陣Fm為已知條件，而剛度矩陣Kmm又由夾具布局設(shè)計(jì)元件的位置唯一確定，因此m個(gè)觀測控制點(diǎn)的偏差變形量和n個(gè)夾具布局元件之間位置的一一對應(yīng)關(guān)系可用下式表示：

(6)

式中:Vi=vi(x,y)i=1,2,…,m，表示第i個(gè)夾具布局元件的位置。

上式是進(jìn)行焊裝夾具布局優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)函數(shù)，通過最優(yōu)化焊裝夾具布局元件的位置可得到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

根據(jù)上面得到的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以通過有限元分析方法得到所確定的觀測控制點(diǎn)的變形量，需要確定相應(yīng)的約束條件。

根據(jù)零件裝配時(shí)的完全定位和完全夾緊所需的條件，可以得到相應(yīng)的約束條件：

G·Δq=0

式中:G為m×6的雅克比矩陣;Fc為接觸點(diǎn)處的合成反作用力；Δq為工件實(shí)際位置與理想位置有微距增量對于柔性薄板件的夾具布局點(diǎn)，它們都有一定的位置限制，因此對于要優(yōu)化的焊裝夾具布局元素，可以假定它們有一定的邊界約束：

vi(x,y)∈li

式中:vi為夾具布局元件的位置坐標(biāo)函數(shù);li為柔性件的邊界線。

柔性件的邊界約束條件如圖3所示。綜上所述，可得到柔性件元素布局的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件：

(1) 目標(biāo)函數(shù)：

…,v(xn,yn))

(7)

(2) 約束條件：

G·Δq=0

(8)

(9)

si(x,y)∈li

式中：si為零件與夾具之間的初始間隙。

圖3 夾具布局有限元網(wǎng)格劃分模型

通過建立以上的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件，就可以對焊裝夾具的布局方案進(jìn)行優(yōu)化求解,最終就可以確定夾具的定位點(diǎn)、夾緊點(diǎn)及夾緊力的大小[5]。

4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

由于車身薄板零件具有易變形的柔性特點(diǎn)，在復(fù)雜的轎車白車身制造過程中，零件沖壓制造偏差、運(yùn)輸變形及工裝夾具偏差等難以避免，從而導(dǎo)致零件在點(diǎn)焊連接處不完全匹配而存在初始間隙。初始間隙的存在會影響點(diǎn)焊連接處的焊接質(zhì)量，并且增加焊鉗焊接時(shí)的振動(dòng)力。振動(dòng)力的存在勢必影響焊接夾具夾持薄板件的夾緊力，從而影響工件的定位和白車身焊裝質(zhì)量。因此，確定合適的夾緊力，對夾緊點(diǎn)和定位點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化是薄板焊裝過程中，夾具設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。因?yàn)楹线m的夾緊力有利于消除工件焊接后因變形而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。據(jù)此分析，工件焊接時(shí)工件夾具系統(tǒng)的受力分析模型如圖4所示。

圖4 夾具系統(tǒng)的受力分析模型

4.1 夾具夾緊分析的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 薄板樣件及焊接工藝參數(shù)的選擇

薄板樣件的尺寸為：300×100×1.2(雙面鍍鋅板)

焊接的工藝參數(shù)：焊接電流(A)=8 500 A；焊接時(shí)間(B)=12 Hz；焊接壓力(C)=3 500 N。焊鉗振動(dòng)力：200～300 kg；壓縮空氣站的氣壓為：4 kg/cm2，通常點(diǎn)焊電極力(假設(shè)電極力為1 960 N，均勻作用在電極頂部的環(huán)形區(qū)域內(nèi))足以克服零件間隙。以點(diǎn)焊電極力及零件與零件初始間隙大小為變量，電極與零件、零件與零件接觸狀態(tài)為研究對象，討論點(diǎn)焊裝配中的接觸問題。

(2) 有限元分析的力學(xué)模型

從定位原則看，支承對薄板來說是必不可少的，可以消除由于工件受夾緊力作用而引起的變形。超定位使接觸點(diǎn)不穩(wěn)定，產(chǎn)生裝配位置上的干涉，在調(diào)整夾具時(shí)只要認(rèn)真修磨支承面，超定位引起的不良后果是可以控制在允許范圍內(nèi)的。“N-2-1”定位原理針對薄板沖壓件在橫向上的易變形特征，提出了在第一基面上的定位點(diǎn)數(shù)目大于3，其有限元力學(xué)模型如圖5所示[6]。

圖5 薄板焊裝夾具的有限元力學(xué)模型

(3) 仿真試驗(yàn)的結(jié)果分析

薄板件焊裝過程中，焊鉗振動(dòng)力隨著兩薄板件接觸面之間的間隙不同而發(fā)生變化，這就決定了有限元分析模型中，載荷的作用是變化的，并且是間歇作用的。為了分析上的簡便，假設(shè)焊鉗的振動(dòng)力是均勻不變的,并依據(jù)上述的工藝參數(shù)對有限元模型進(jìn)行加載荷分析，得出接觸變形和靜力學(xué)分析分別如圖6、7所示。

圖6 接觸變形分析 圖7 靜力學(xué)分析

對圖5中的幾何模型建立力學(xué)約束條件,對稱軸上位移為0，即UX=0,假設(shè)電極力大小為500 N，并以均布力作用于上下電極頂部的環(huán)形面上，焊接電流為8 kA正弦交流電，頻率50 Hz，環(huán)境溫度20 ℃。由于點(diǎn)焊在瞬間完成，電極和零件的溫度以及零件與零件接觸面積不斷變化，將分析得到力加載于焊接結(jié)構(gòu)上,用以更新接觸狀況,仿真結(jié)果數(shù)值分析如表1所列。

表1 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析

5 結(jié) 語

針對焊裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，依據(jù)車身焊裝夾具布局設(shè)計(jì)的分析方法、焊接裝配位置、定位特點(diǎn)、完全夾緊條件，建立了車身零件焊裝夾具的力學(xué)分析模型，應(yīng)用優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件的方法，對柔性件焊裝夾具的定位元件和夾緊元件進(jìn)行統(tǒng)一的布局設(shè)計(jì)，克服了以往建模分析時(shí)的局限性。應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對優(yōu)化模型進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明該模型和方法準(zhǔn)確、合理，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。同時(shí)采用有限元方法分析焊裝夾具定位點(diǎn)、夾緊點(diǎn)的布置和夾緊力的預(yù)測，將會給薄板沖壓件焊裝夾具的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法。

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