基于Simufact的乘用車前輪罩點焊變形模擬研究

宋慶軍 張林陽 李軍 鄭虹

（中國第一汽車集團有限公司 材料與輕量化研究院，長春130011）

1 前言

傳統鋼制車身前輪罩總成由不同板厚的鋼板經沖壓和點焊連接而成[1]，前輪罩總成通常包含內擋板、支撐板、擋泥板、連接板和輔助支架等組件，與車身前縱梁、上連接梁、前圍擋板和懸架前滑柱等總成相連，其結構較為復雜，點焊過程會造成一定的變形，生產中對其點焊后的尺寸精度要求較高[2]，如點焊后前輪罩總成的變形量過大，則會嚴重影響車身精度和前滑柱的安裝質量，進而影響整車的尺寸精度和舒適性，因而工程上對前輪罩總成的點焊變形要求極為嚴格，在進行工藝設計前，需要針對不同的點焊順序來研究總成的點焊變形趨勢，進而優選出最佳的點焊順序，保證總成的尺寸精度滿足設計要求。

以Simufact有限元分析軟件為平臺，從網格劃分、熱源模型建立、點焊參數確定和初始邊界條件設置等方面開展了前輪罩總成點焊變形模擬研究，探討了不同點焊順序對前輪罩總成焊后自由變形的影響規律，闡述了點焊順序對焊后變形的影響原因，并優化出了最佳的焊接順序，為實際前輪罩總成的點焊連接提供理論支持。

2 點焊模型建立

2.1 幾何模型建立及網格劃分

本研究中前輪罩總成幾何模型基于CATIA軟件建立，由內擋板、支撐板、擋泥板和輔助支架4個零件點焊連接而成（圖1）。利用Hypermesh軟件對幾何模型進行網格劃分，網格尺寸采用漸變式設計，焊點附近網格尺寸小，遠離焊點位置網格尺寸大。完成網格劃分后，該模型共含有35 350個節點和28 640個六面體單元（圖2）。

圖1 前輪罩總成幾何模型

圖2 前輪罩總成網格模型

2.2 材料物性參數

本研究采用的點焊電極帽尺寸參考實際工程應用，選擇ISO 5821：2009標準中規定的F1-16-20-50-8-6型號。前輪罩總成的各個組件由不同厚度和牌號的鋼板經沖壓而成，各零件力學性能及料厚如表1所示。

表1 前輪罩總成各組件力學性能及料厚

2.3 熱源模型校核

前輪罩總成涉及5種不同板厚的點焊搭接形式，分別為1 mm&1 mm、1 mm&1.5 mm、1 mm&2.3 mm、1.5 mm&2.3 mm和1 mm&1.5 mm&2.3 mm，本研究以1 mm&1 mm厚度的平板點焊為例，利用Simufact軟件中的點焊熱源模型，并參考實際工程中前輪罩總成點焊的工藝參數，對該熱源模型進行校核，如圖3，其中圖3a為模擬的焊點截面，圖3b為實際焊件的焊點截面，通過對比發現，在相同的點焊工藝下，兩焊點截面的形貌吻合度較好，熔核直徑和熔深基本相當，如表2所示，可見采用Simufact軟件自帶的點焊熱源模型可較好地對前輪罩總成點焊過程進行有限元模擬。

圖3 焊點截面形貌對比

表2 焊點截面尺寸對比

2.4 點焊參數確定

針對前述5種不同板厚的點焊搭接形式，結合實際工程應用情況，本研究點焊模擬過程選擇如下工藝參數，見表3，利用Simufact軟件模擬完成后所得焊點的橫截面形貌見圖4，對焊點的熔核直徑進行測量，并與相關點焊質量標準進行對比，所得結果見表4，可見利用上述工藝參數得到的焊點熔核直徑完全滿足點焊質量標準要求，所選工藝參數可應用于前輪罩總成的點焊模擬過程中。

圖4 不同板厚組合的焊點截面

表3 點焊模擬工藝參數

表4 不同板厚組合的焊點熔核直徑 mm

2.5 初始條件和邊界條件設置

由于焊接過程較復雜，本研究對模型初始條件和邊界條件進行合理簡化以提高計算效率。

a.初始條件。工件初始溫度為20℃，所用材料為各向同性且性能連續，模擬過程為準穩態過程。

b.裝夾邊界條件。參考前輪罩總成的實際點焊過程，選擇12處夾持點作為點焊模擬的邊界條件，如圖5。

圖5 前輪罩總成裝夾邊界條件

c.熱交換邊界條件。系數為20 W/（m2·K）的對流散熱。

3 點焊變形模擬結果

3.1 點焊變形合格判據

模擬完成后，將裝夾邊界條件去除，計算前輪罩總成的焊后自由變形，根據相應的產品設計要求，點焊后前輪罩總成的最大變形量不能大于1.2 mm，前滑柱安裝點的最大位移量不能大于0.8 mm，因此本研究選擇輪罩總成最大變形量D1≤1.2 mm和前滑柱安裝點最大位移量D2≤0.8 mm作為評定前輪罩總成點焊變形合格的依據。

3.2 不同焊道順序對變形的影響

前輪罩總成包含內擋板、支撐板、擋泥板和輔助支架4個組件，共計36個焊點，針對不同組件之間的點焊連接，將各焊道定義如下。

a.內擋板與輔助支架的連接定義為焊道①，共計13個焊點；

b.支撐板與內擋板、輔助支架的連接定義為焊道②，共計16個焊點；

c.內擋板與擋泥板的連接定義為焊道③，共計7個焊點。

本文制定的6種不同焊道順序如下。

a.焊道①→焊道②→焊道③，

b.焊道①→焊道③→焊道②，

c.焊道②→焊道①→焊道③，

d.焊道②→焊道③→焊道①，

e.焊道③→焊道①→焊道②，

f.焊道③→焊道②→焊道①，

以上內容用以研究其對焊接變形的影響。點焊完成后去除裝夾邊界條件，所得前輪罩總成的自由變形云圖如圖6。

圖6 前輪罩總成焊后自由變形云圖

根據上述變形云圖測得的前輪罩總成焊后最大變形量和前滑柱安裝點最大位移量如表5所示，可以看出，按焊道順序c、d進行點焊后，前輪罩總成最大變形量和前滑柱安裝點最大位移量均小于設計要求值，符合設計要求；按焊道順序a、b、e、f進行點焊后，前輪罩總成最大變形量和前滑柱安裝點最大位移量接近或大于設計要求值，不符合設計要求；其中焊道順序c對應的焊接變形最小，其總成最大變形量為0.957 mm，前滑柱安裝點最大位移量為0.654 mm，可作為前輪罩總成實際點焊時的焊道順序。

表5 不同焊道順序對應的點焊變形 mm

對6種焊道順序對應的點焊變形進行綜合分析可以發現，當第一條焊道相同時，后兩條焊道的順序變化對點焊變形影響不大，如焊道順序c和d對應的點焊變形量相差很小，因此對于不同的焊道順序，第一條焊道的選擇對點焊變形的影響最大，前輪罩總成實際點焊時應優先焊接焊道②。

3.3 不同焊點順序對變形的影響

選擇上述點焊變形量最小的焊道順序c，即先焊焊道②，再焊焊道①，最后焊焊道③，分別改變每一條焊道內的焊點順序變化，研究焊點順序對點焊變形的影響，如圖7，其中圖7a代表焊點順序①，圖7b代表焊點順序②，箭頭方向代表每一條焊道內的焊點先后順序，圖8為兩種焊點順序對應的前輪罩總成焊后自由變形云圖。

圖7 兩種不同的焊點順序

圖8 前輪罩總成焊后自由變形云圖

根據上述變形云圖測得的前輪罩總成焊后最大變形量和前滑柱安裝點最大位移量如表6所示，可以看出，相對于焊道順序對點焊變形量的影響，文中設定的兩種焊點順序下前輪罩總成的點焊變形量相差不大，且均符合產品設計要求，說明針對于本研究的前輪罩總成點焊，當焊道順序確定時，每條焊道內的焊點順序變化對前輪罩總成點焊變形量的影響相對較小，實際生產中可更關注于焊道順序的變化對前輪罩總成點焊變形的影響規律。

表6 不同焊點順序對應的點焊變形 mm

4 結果分析

綜合前輪罩總成點焊變形模擬結果可知，相對于焊點順序的不同，焊道順序的變化對點焊變形的影響更大，因此本文重點針對焊道順序對點焊變形的影響進行分析。在不同的焊道順序中，先將支撐板與內擋板點焊在一起，即先點焊焊道②，再分別點焊另外兩個組件，最終所得的前輪罩總成變形最小，而若先焊焊道①或焊道③，所得的前輪罩總成變形相對更大，從結構上分析其原因，當先將支撐板與內擋板點焊在一起時，形成的組件為半封閉結構，這種結構剛度大，會對后續的點焊變形起到抑制作用，使得最終的總成自由變形量最小。

利用焊道①將內擋板與輔助支架連接起來的結構定義為結構1，利用焊道②將支撐板與內擋板連接起來的結構定義為結構2，利用焊道③將內擋板與擋泥板連接起來的結構定義為結構3，在3種結構的內擋板相同位置施加約束和載荷，采用Hy?permesh軟件建立模型，分析3種結構的剛度大小，所得的變形云圖如圖9，施加相同的約束和載荷后所得3種結構的最大變形量如表7。

表7 3種結構的最大變形量 mm

圖9 3種結構的變形云圖

可以看出，先焊接焊道②所得的支撐板與內擋板連接結構，其最大變形量遠小于另外兩種結構，說明這種結構的剛度相對更大，對后續的點焊變形起到抑制作用，使得最終的前輪罩總成變形量最小，同時先點焊支撐板與內擋板也可以更好地改善前滑柱安裝孔的精度，提高整車的舒適性。

5 結論

本研究以Simufact有限元分析軟件為平臺，對某乘用車前輪罩總成點焊變形進行模擬分析，得出如下結論。

a.相對于焊點順序對點焊變形的影響程度，焊道順序的變化對前輪罩總成點焊變形的影響更為顯著。

b.點焊變形的大小主要與第一條焊道的選擇有關，先將支撐板與內擋板點焊連接，再分別點焊另外兩個組件，所得前輪罩總成的變形最小。

c.第一條焊道點焊后所形成的連接結構剛度大小是影響前輪罩總成最終點焊變形量的主要因素。