車身底板落位變形虛擬評估分析及結構優化

郝良偉

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

當代工業已經逐漸從傳統生產方式向智能化、現代化方向轉變，隨著工業4.0以及中國制造2025的提出，智能制造已成為制造業的重要發展方向。通過虛擬仿真技術實現智能制造水平的提升，是汽車行業乃至整個制造業面臨的重要課題。有限元仿真技術是虛擬仿真技術的重要組成部分，目前已比較成熟、系統地應用于車身產品設計中，如針對車身結構強度、碰撞安全性、疲勞耐久等性能進行虛擬評估分析，在車身制造過程中屬于較新的應用領域。

車身制造是按照一定的裝配順序和尺寸定位要求，將單個沖壓零件，通過電阻焊、弧焊、激光焊、螺栓、沖鉚、折邊、膠接等連接方式拼成一個完整的車體結構。制造過程中，車身薄板零件在上料、抓料、預裝、拼合、落位、運輸、裝配等過程中均存在零件變形的風險，對其進行預測，并將其控制在合理范圍是車身制造質量水平的重要體現。傳統的評估方法是在造車驗證或試生產階段發現質量問題，收集現場數據分析，然后對零件或工裝進行更改。這種方式依靠工程人員經驗，缺乏理論依據，并且產品開發后期的零件、工裝更改會增加成本。通過將有限元仿真技術應用于車身制造中，預測制造過程中零件變形風險，并且在設計階段優化產品，可有效降低制造風險和成本，提升制造質量。

1 車身底板總成

承載式車身結構已廣泛應用于現代轎車與輕型商用車的車身結構中，與傳統的車身-車架結構形式相比，承載式車身具有制造成本低、質量輕等優點。車身底板總成是整個車身結構的基礎，作為承載式車身的主要承重總成，制造過程中對其變形和尺寸控制是提升車身制造質量的關鍵因素。

車身底板總成主要由前艙分總成、前地板分總成、后地板分總成組成，如圖1所示。車身底板總成通過定位孔及定位面與車身隨行工裝定位銷和面進行匹配定位，如圖2所示。為保證定位準確，提升定位精度，車身制造中應可能地縮短制造尺寸鏈，同時保證定位一致性原則，即從汽車設計到工裝設計，制造有統一的、系統的規劃，車身制造、輸送在各車間不同工藝段盡量采用一樣的定位。因此，車身底板定位孔承擔了從底板分拼到與上車體的總拼及車間運輸過程中的定位作用，其對于整個車身的定位、尺寸具有非常重要的作用。

2 落位變形分析

車身車間負責將鈑金零件通過焊接、涂膠、鉚接等工藝在不同工裝上組裝連接成白車身，送至油漆車間進行電泳涂裝工序。按照工藝流程，車身生產線可分為前艙線、底板線、總拼線、門蓋線、表調線等，不同分拼線的零件總成主要通過機運設備運輸至總拼線完成白車身合拼。在分拼線中因制造工藝轉接需求，也存在機器人抓取零件總成落位至工裝的情形。在實際制造過程中，當車身總成在自重作用或機運慣性載荷作用下落位至工裝上，對車身定位孔和定位面的鈑金具有一定沖擊作用。另外，零件制造及機械設備操作等均存在一定誤差，定位銷很難保證定位孔準確落位，定位銷導向過程中定位孔之間也會產生擠壓、沖擊。因此，車身總成定位孔和定位面需具備一定的剛度或強度要求，從而保證落位、運輸等制造要求，提升制造精度。

采用有限元仿真方法，可對制造過程中零件的落位變形風險進行預測，由于落位過程涉及沖擊載荷以及零件和工裝接觸變形等非線性問題，可采用適合非線性動態分析的有限元仿真軟件LS-DYNA對其進行分析求解，分析流程如圖3所示。首先，建立有限元仿真模型，包括對幾何模型進行網格劃分，材料、屬性的建立等；其次，輸入分析所需的邊界條件，包括總成落位高度、慣性載荷、接觸等邊界條件的設置；然后，在定義計算控制參數后，提交仿真軟件求解；最后，根據仿真結果，確認是否滿足制造要求，針對不滿足制造要求的工況，根據計算結果提出產品改進建議，并校核仿真結果。最終，使產品設計滿足制造需求。

2.1 有限元模型

以某車型后底板總成為例，對其落位過程進行仿真分析，如圖4所示。利用有限元前處理軟件HyperMesh對其進行網格劃分，采用2D單元對鈑金零件進行網格劃分，劃分網格單元大小設置為5 mm，采用音響控制模塊單元對點焊進行模擬，采用剛性單元模擬焊縫。由于在油漆烘烤前，膠未固化，因此，不考慮結構膠的建模。最終，建立后地板總成有限元模型如圖5所示。

2.2 仿真邊界條件

根據制造過程工況，設置落位高度為20 mm，落位時考慮1慣性載荷。由于工裝接觸面和銷子剛度遠遠高于車身鈑金零件，因此，可提取與車身接觸的工裝定位面或銷，設置為剛體，如圖5畫圈所示區域。在LS-DYNA中，設置工裝與后地板為面接觸，定義接觸摩擦系數為0.2。

2.3 仿真結果分析

將模型輸入至LS-DYNA軟件進行分析計算，可得到底板在落位過程中的應力情況，如圖6所示。由圖6可知，后地板落位過程中，最大應力發生在前部定位孔，位置發生在定位孔附近搭接處應力最大，其最大應力可達478 MPa，超過底板件材料的屈服極限420 MPa，最大應力已經超出材料屈服極限，說明該位置已發生永久變形，該變形對于車身總成工裝定位、后續零件匹配安裝等造成潛在風險，因此，需要優化零件設計，避免制造風險。

3 結構優化

3.1 結構改進

從應力圖中可以清楚看到，在該定位孔附近，零件主要依靠相鄰兩側翻邊搭接作為連接面，如果搭接面強度不足，落位時產生的應力將沿翻邊傳導至型面邊緣處，圖中應力最大處位于兩側翻邊的交界處。參考目前的連接工藝，在翻邊的邊緣增加兩個焊點提高連接強度。另一方面，定位孔由于其自身結構特點，也是應力易集中的位置，周圍型面需要進行加強，盡量抵消落位時零件沖擊對型面的變形影響。

參考仿真結果以及產品的設計要求，針對發生變形的定位孔所在的面增加加強筋，同時通過增加焊點連接加強其支撐強度，如圖7所示。

3.2 結果校核

產品優化后，對改進后的產品進行網格劃分，并更新有限元分析模型。對改進后的模型進行落位變形仿真校核，改進后，后地板前部定位孔的應力云圖如圖8所示。由圖可知，該零件總成模型最大應力發生在定位孔邊緣，最大應力僅為251 MPa，遠遠小于該處材料的屈服極限420 MPa，零件不會發生永久變形，車身完成落位后，零件變形恢復原狀，無永久變形風險。

4 小結

通過將有限元虛擬仿真技術應用于車身制造過程落位變形風險預測，并且圍繞仿真結果對零件產品設計進行優化，降低落位過程中零件的應力，消除零件制造過程中的永久變形風險，提高車身制造質量，提升車身智能制造水平。

有限元仿真技術可以合理預測制造過程中的潛在風險，縮短產品優化周期，降低實物驗證階段修模、調試等成本，提高產品競爭力，對制造過程的智能開發具有重要意義。