基于有限元分析的制造業成本控制

羅思穎

（廣州廣汽荻原模具沖壓有限公司，廣州 511434）

0 引言

在工業發展過程中，汽車輕量化越來越成為工業可持續發展方向備受關注的焦點，轎車輕量化可分為車身輕量化、底盤輕量化、動力系統輕量化和材料輕量化等。當前，材料輕量化是汽車實現輕量化最常用的方法之一，為了降低生產試制過程的成本，往往采用低成本的虛擬仿真制造技術達到這一目的。虛擬仿真制造技術是以制造技術和計算機技術支持的系統建模技術和仿真技術為基礎，集現代制造工藝、CAE等多種高新技術為一體，由多學科知識形成的一種綜合系統技術。簡而言之，虛擬制造技術是在產品生產制造前在虛擬制造環境中生成模型產品進行試驗仿真分析，進行試驗，對其性能和可造性（可行性、成型性）進行預測和評估，對產品的生產過程進行優化調整從而降低產品的開發周期和成本，提高系統快速響應市場變化的能力[1]。

有限元仿真分析可用于副車架開發過程，驗證副車架強度、剛度、模態、耐久疲勞等性能是否滿足設計要求，從根本上改變了產品設計、試制、驗證、調整設計的傳統循環制造模式。副車架在汽車的整體結構中較為復雜，且需要承受循環應力作用，對汽車的舒適度和轉向性至關重要[2]。在完成3D數據初步設計后，焊道長度及位置的確定缺乏理論依據，將會直接影響產品的開發進度和成本核算。

本文利用有限元分析的方法對焊道的優化進行驗證，在保障產品模態、動剛度及強度的前提下，縮減焊道長度，調整分布，降低生產成本及生產周期。

1 焊道優化

零件的焊接方式、夾具定位方案及裝配順序規劃等焊接工藝設計對生產成本有著重要影響，由于開發過程中設計工程師對焊接工藝領域知識面了解并非十分全面，會導致在ET試制過程中焊接工藝生產成本投資過大，在現行嚴峻緊張的社會環境下，成本與時間是制造型工廠生存發展的決定因素[3]。從工藝工裝角度來說，焊道優化可以完善零件焊接的工藝性，因此，優化焊道成為焊接工藝中降本增效的重要方式之一。

2 焊道優化過程

在前期數據開發建模過程中遇到焊接工藝成本問題時，首先進行初步工程判斷，這一步需要充分和設計工程師及焊接工程師進行溝通，盡量獲取更多的資料和數據，結合現在的結構工藝需求，提出協調改善的意見和建議，既降低成本壓力，又保證了生產工藝性，避免模糊的直覺判斷[4]；其次再進行有限元分析，這一步需要運用理論和經驗上的判斷，決定計算的模型、規模和類型，即使用有限元仿真軟件建立HyperMesh有限元仿真模型，進行零件模型模態分析及強度分析，獲得分析結果；最后結合焊接工藝原則上優化原焊道長度的30%，保留70%，避讓關鍵焊縫，多次迭代驗證不同工況的強度分析結果及模態分析結果，在滿足副車架力學性能要求的前提下，連續兩次迭代的目標值相差小于給定收斂容差，輸出最終焊道優化后的數模及分析結果，OptiStruct默認的收斂容差是0.5%，數模獲得客戶認可后運用于焊接生產[5]。

2.1 有限元仿真模型

2.1.1 網格劃分

首先，導入幾何模型，文件格式首選STP格式，保證導入數模是實體；其次，從復雜的幾何體抽出中面，抽取中面后進行網格劃分，該操作可以提高求解效率，節省大量建模時間，適用于鈑金沖壓件、帶肋的塑料件和其他厚度遠小于長度和寬度的零件上，但用來抽取中面的原幾何是不會改變的；最后，連接模擬焊道及標準件，焊道采用Shell單元模擬，單元類型均為CQUAD4及CTRIA3，螺母、螺栓連接采用剛性單元連接，單元類型為RBE2[6]。初始焊道連接總長度為9 541 mm。網格劃分有限元模型焊道分布如圖1所示為后副車架FEM示意圖。

圖1 后副車架FEM示意圖

2.1.2 材料屬性

此款副車架所用材料均為GH420MC鋼材，材料屬性設置如表1所示。

表1 材料參數

2.1.3 定義邊界條件

模態采用自由邊界，因為自由模態可以在一定程度上得到約束模態，從模態分析難易程度上而言，自由模態比約束模態更容易實現。模態分析是以描述結構特性的固有頻率和振型等模態參數，以了解系統的剛度特性[2]。動剛度采用自由邊界，無約束，掃頻范圍為0～1 000 Hz，掃頻間隔為1，結構模態提取20階。輸出1～500 Hz的加速度導納曲線，縱坐標為dB20對數，加上兩條目標曲線5 000 N/mm和10 000 N/mm，加載點的動剛度曲線如圖2所示，動剛度分析輸出500 Hz的等效動剛度值，等效動剛度值求解方程如下：

式中：Δf是單位頻率步長；f為頻率；i為橫坐標掃頻范圍；分子在500 Hz上的值是定值，為1.64×109，AREAIPIk為加速度導納曲線在1～500 Hz內的面積和。

圖2 動剛度曲線

強度分析則采用4個車身安裝點全部約束，即通過引用邊界條件去除剛體位移約束車身安裝點1～6方向自由度，力和力矩加載在硬點上，使用結構非線性計算得出應力滿足材料的屈服極限[7]。

2.1.4 載荷施加

動剛度分析過程需對安裝點加載頻率相關的動載荷，而強度分析則根據不同工況的載荷數據對安裝點的X、Y、Z三個方向施加相應的力及力矩。

2.2 數值模擬結果分析

2.1.1 模態分析結果

根據模態分析位移云圖削減非關鍵焊道，結合生產工裝工藝需求，避開應力集中的焊道位置，即結果云圖中顯示淺色的區域，刪減非關鍵焊道位置的網格，即結果云圖中顯示深色的區域，后副車架多次迭代優化后1階扭轉和1階彎曲值結果如表2所示，1階扭轉結果云圖如圖3所示。

表2 模態分析結果優化前后對比

圖3 模態分析結果云圖

2.2.2 動剛度分析結果

根據模態分析位移云圖削減非關鍵焊道，結合生產工裝工藝需求，避開應力集中的焊道位置，刪減非關鍵焊道位置的網格，連接點的動剛度一般要求主方向大于10 000 N/mm，次方向大于5 000 N/mm[8]。后副車架安裝點動剛度分析結果表明，4個不達標點的動剛度均有所提高，具體數值如表3所示。

表3 動剛度分析結果不合格數值

2.2.3 強度分析結果

后副車架縮減焊道100 mm，為保證性能，通過分析0.7g加速、1g前進制動、0.7g倒車制動、3.5g單輪沖擊和1g右轉向這5種極限工況的強度校核，讀取節點應力和應變，分析在極限工況下以所得最大應力值不超過材料的屈服強度為準，若結果應力大小低于材料的屈服強度，則該點強度合格。后副車架所有硬點強度結果合格，說明在不影響副車架強度的前提下，通過改變焊道長度可降低后副車架的制造成本。后副車架強度分析驗證了5個極限工況的加載情況，結果如表4所示。

表4 強度分析結果優化前后對比

3 結束語

本文通過新上市的某車型后副車架的焊道優化為例，用Hypermesh軟件進行模擬分析得出，在滿足客戶性能要求前提下，根據分析結果不斷進行優化，焊道長度縮減15%，大大降低了開發成本，提高客戶的認可度，提升公司的技術氛圍。

本文通過改變焊道長度降低了副車架的制造成本，該模型說明了利用有限元分析進行焊道縮減的方案可行，為以后的公司降本增效的發展方向提供了一定的借鑒意義。從力學性能角度降低開發成本還有很多優化方式，本文是通過比較直觀的焊道優化方法論述該結果，因此存在一定的不足。但不足的地方也是后期研究分析的最大動力，今后會關注新技術新設備新工藝的出現，并盡快掌握工藝分析知識。

此外，副車架力學性能過剩，也可從工藝制造的角度改善零件的結構，縮短工裝開發的周期，保證零件產品的精度，從產品的角度達到降本增效的目的。該種方法適合在產品開發初期與力學性能分析結合使用，能有效地避免不必要的工裝開發，降低開發周期和成本，達到事半功倍的效果。