基于有限元CAE分析法B燈支架強度受密封墊擠壓變形的研究

姜偉民 袁一平

1.上汽通用汽車公司 上海市 201206 2.昆山諾宇檢具股份有限公司 江蘇省蘇州市 215321

1 引言

隨著汽車工業發展，零件匹配及尺寸的控制越來越被客戶及整車開發廠商關注，本著安全、價廉、環保、實用、高效、省時以及提供與外部世界的聯系的目標，在尺寸前期識別問題并解決問題是當下高科技工業時代，汽車行業的一個方向，變形問題一直是尺寸前期辨識難度大，辨識手段缺乏的重大難題，為了領先于行業并能夠更早，更快，更優的解決問題，因此使用了前沿的CAE仿真分析解決目前碰到的變形問題，以滿足所有客戶和行業對我們的期待。

圖1 B燈、B燈支架的數模狀態

2 CAE建模過程

2.1 CAE建模背景

在MATCHING過程中發現部分車型的后舉門B燈安裝緊固壓縮泡棉過程中鈑金變形，造成B燈與后舉門鈑金配合差，見圖1，圖2。

圖2 問題區域展示

2.2 基于建模背景的分析

根據B燈的裝配過程， B燈支架已經焊接且涂裝了結構膠固定在了后舉門上，將帶有密封墊的B燈先夾緊B燈支架再通過定扭的扭矩槍打緊緊固點完成整個B燈的裝配過程，緊固點打緊遵循先打緊靠近車內側的打緊點再打緊其他輔助的打緊點的基本原則，由此分析猜測B燈支架鈑金發生變形可能是源于B燈鈑金受到密封墊的壓縮力過大受到了，定扭扭矩作用力以及密封墊的壓縮力擠壓變形；

因此確定了研究的方向，模擬實際的裝配完成后，B燈支架和B燈已經閉合，密封墊已經達到了設計的壓縮量時，螺栓定扭扭矩垂直作用力以及密封墊受壓縮后的作用力擠壓B燈支架后的B燈支架變形量，與在線掃描情況做對比，以此增加尺寸前期辨識B燈支架變形問題的手段。

2.3 建模過程

CAE模型主要的要素是：參與運算的零件、模型的相關材料參數、模型的邊界條件。CAE建模過程也是不斷和實際結果對比優化模型邊界條件的過程，見圖3。

由CAE建模的流程展開

1參與運算的零件。參與運算的模型就是在B燈裝配的過程中，影響到B燈支架最終變形結果的相關零件即B燈的支架，密封墊、B燈的燈板；

1.1網格化。參與到運算的零件都是需要網格化處理的。網格化其實就是有限元分析法，實際是一種高效能、常用的數值計算方法。科學計算領域經常需要求解各類微分方程，許多微分方程的解析解很難得到，使用有限元將微分方程離散化后，可以通過計算機編程后使用計算機輔助求解；

圖3 CAE建模的流程圖

2.模型的相關材料參數。零件的材料參數是影響CAE模型的應力應變結果的重要因素，準確的材料特性是CAE分析結果得以可靠的關鍵。本文中的零件的鈑金的材料是CR3的材料；

3.模型的邊界條件。模型的邊界條件是指CAE模型的約束條件以及荷載條件。

3.1約束條件。約束條件是指限制模型變形的條件，例如零件間的焊接、模型間結構膠作用、限位塊的作用，這些限制作用的結構可以簡化為相關的區域限制相關的自由度；

3.2載荷條件。載荷條件是指裝配過程中的影響模型變形的作用力以及壓強；

圖4 B燈支架、后舉門的數模狀態

2.3.1 CAE模型的約束條件輸入

本文中的模型是僅對B燈已經裝配完成，密封墊已經壓縮到設計壓縮量的狀態進行分析的，所以將帶有預安裝限位作用的B燈燈板視為剛體，根據實車的狀態可知，B燈支架是已經通過焊接以及結構膠的作用固定在了后舉門上的，因此我們將B燈支架根據焊接的區域約束B燈支架的相關位置的6個自由度，見圖4，圖5。

圖5 B燈支架模型中的約束設置

2.3.2 CAE模型的荷載條件輸入

本文中的荷載是基于數模的狀態進行設置的，如下圖可知密封墊的是安裝在一圈（下圖黃圈）安裝筋上的。

圖6 B燈燈板密封墊的安裝筋

由于安裝筋凸出的結構，可以判斷密封墊壓縮到設計狀態，B燈支架受到密封墊壓縮的作用力，主要是作用在安裝筋區域的。通過數模截面測量得到了設計要求的密封墊壓縮量以及壓縮比。

圖7 B燈密封墊截面測量的到的壓縮量

將壓縮量以及壓縮比匯總以后發現，設計要求的密封墊壓縮比近似為0.5，見表1。

因而根據設計壓縮比并參照供應商進行實驗分析得到了密封墊在壓縮了50%時的壓縮作用力，表2展示。

表1 B燈密封墊壓縮量及壓縮比信息匯總

表2 B燈密封墊壓縮達50%的作用力數據匯總

根據匯總的壓縮50%的作用力信息，換算后作為CAE模型的荷載條件輸入，由于安裝筋是等高的，所以我們判斷壓縮量在安裝筋上是相同的，因而將密封墊壓縮的作用力換算成均勻大小的壓強施加在B燈支架上，見圖8。

實際密封墊作用力和網格模型密封墊作用力換算過程：已知密封墊的作用力為定量，實際安裝筋的面積和網格安裝筋面積有偏差，所以通過作用力和網格安裝筋面積求出網格上應該施加的壓強大小。

（P密是泡棉壓縮50%的作用壓強，S安裝筋是安裝筋面的面積，n為常數是鈑金網格對應安裝筋位置的網格個數，S網是網格尺寸的面積大小）

除了輸入密封墊的壓縮作用力外，由于通過實際裝配的過程分析B燈支架裝配是一個受擠壓的過程，因此模型中荷載還需要輸入打緊點的作用力。B燈支架是固定在后舉門上不發生位移的，因而判斷B燈支架是處于受力平衡的狀態，即打緊點的作用力合力與泡棉的壓縮力是大小相等方向相反的，見圖9。

圖8 B燈密封墊壓縮和位移的函數關系圖

圖9 B燈支架CAE模型

3 CAE結果與在線驗證結果驗證與結論

基于在線出現問題的車型A作為驗證對象，在線測量的結果如圖10可見，B燈在第一打緊點位置變形量有大概0.6mm的變形。

CAE分析的結果，在第一打緊點位置也發生了0.6mm的形變，CAE分析結果如圖11；

圖11 A車型B燈支架CAE運算的云圖結果

從A車型的結果來看CAE分析的結果與在線測量的結果一致。

經過多個車型對比后，初步設定強度標準，CAE分析變形量超過0.3mm的車型作為問題報警。

圖12 變形標準示意圖

綜上所述本文以B燈為剛體，僅考慮鈑金的變形來進行CAE的應用與研究，可以在項目前期判斷鈑金的變形情況，以達到在設計階段指導基準數量及位置的設置，確認改進方案，來避免在項目啟動階段對零件的修改，減少工程更改費用的目的。