白車身薄板沖壓件自重變形非線性仿真分析

摘要：為分析自重變形對薄板沖壓件尺寸檢測合格率的影響，利用HyperMesh與Abaqus構建天窗頂蓋外板和中通道焊接總成自重變形非線性聯合仿真模型。結果表明，不同的擺放姿態克服自重變形的能力不同，凸放可以提高零件克服自重變形的能力，驗證了自重變形非線性分析方法指導白車身薄板沖壓件測量方案設計的可行性。

關鍵詞：薄板沖壓件 自重變形 非線性 仿真

中圖分類號：U466 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230277

Nonlinear Simulation Analysis of Gravity Deformation of Sheet Stampings for Body-in-White

Liu Yongchao， Zhang Jiankun， Ma Chunhui， Gong Zefei， Li Jingpeng

（China National Heavy Duty Truck Group Corporation， Jinan 250000）

Abstract： In order to analyze the influence of gravity deformation on the size pass rate of sheet stampings， Hypermesh and Abaqus were used to construct the nonlinear co-simulation model of gravity deformation of the sunroof cover plate and the tunnel welding assembly. The results show that different placement positions have different abilities to overcome gravity deformation， and the convex placement can improve the ability of parts to overcome gravity deformation. The simulation results verify the feasibility of nonlinear analysis method of gravity deformation to guide the measurement scheme design of sheet stampings of BIW.

Key words： Sheet stampings， Gravity distortion， Nonlinearity， Simulation

1 前言

白車身薄板沖壓件尺寸大、結構復雜，自重變形會影響零件尺寸檢測合格率[1-2]。在設計薄板沖壓件測量方案時，需要綜合考慮其在檢具上擺放姿態和定位基準的數量[3]，以減小自重變形對檢測結果的影響。傳統白車身薄板沖壓件測量方案的設計往往依賴于過往車型資料和人員經驗，但因工藝過程變更、零件形狀變化和人員經驗的影響，會出現擺放姿態不合理和定位基準數量不足無法滿足克服自重變形要求的問題，甚至出現定位基準數量冗余的現象。定位基準數量冗余會導致零件與檢具貼合不良，提高沖壓件模具調試和焊接總成精度提升的難度。

利用HyperMesh與Abaqus構建接觸非線性聯合仿真模型，模擬不同擺放姿態和定位基準數量對自重變形的影響，為白車身薄板沖壓件測量方案的設計提供指導。

2 建模思路

白車身沖壓件在檢具上的擺放姿態要求與整車坐標系一致，鑒于測量操作方便性和工藝過程要求等，允許將零件旋轉±90°或±180°[4]。將沖壓件固定于檢具上的一般過程為：首先將沖壓件放在檢具上，然后插入定位銷，最后按照檢測要求依次夾緊零件。在檢具上判斷沖壓件質量時，通常更關注沖壓件在自由狀態（未夾緊）下的精度。

在夾緊之前，檢具定位面與薄板沖壓件表面因重力作用相互接觸，并產生相對小滑移。接觸滑移屬于邊界條件非線性問題[5]，因此需要構建檢具定位面與沖壓件表面間的滑移非線性模型。白車身沖壓件為薄板件，需要在抽取中性面后再進行網格劃分，HyperMesh擁有豐富的有限元分析預處理功能，Abaqus具有強大的非線性分析能力，因此選擇二者聯合仿真建立白車身薄板沖壓件自重變形非線性分析的模型。

3 建模流程

3.1 HyperMesh前處理

根據沖壓件測量方案關于擺放姿態與定位面的位置和大小的定義繪制定位面的數模，定位面的厚度設計為5 mm。沖壓件和定位面數模轉為stp格式導入HyperMesh進行前處理；若為焊接總成，可刪除螺母、螺柱等附屬件再導入HyperMesh，以降低模型的復雜程度。沖壓件抽取中性面后劃分網格，網格單元類型為殼單元；定位面可視為剛性體，劃分為六面體網格，網格單元類型為實體單元。定義沖壓件與定位面間的面接觸屬性。焊接總成的焊點采用fastener。沖壓件和定位面的材料密度、彈性模量、泊松比和摩擦因數等參數如表1所示。前處理完成后導出為inp文件。

3.2 Abaqus后處理

導入前處理inp文件，在Abaqus中分別建立每個定位面與沖壓件的小滑移接觸，小滑移接觸參數采用默認設置。約束定位孔邊緣節點在限制方向上的自由度，并在沖壓件上施加重力。

4 仿真分析

4.1 線性與非線性模型對比

某車型天窗頂蓋外板X向長為2 083 mm，Y向寬為1 225 mm，Z向高為178 mm，料厚為0.7 mm，質量7.4 kg，定位基準如圖1所示。其中B、C為主輔定位孔，D1、D2、E1和E2為限制其旋轉的輔助定位面，A1～A13為主定位基準面。定位基準信息如表2所示。

4.1.1 線性模型

當位移邊界條件為主定位孔B、輔助定位孔C，定位面D1、D2、E1和E2不起作用，僅定位面A1～A13與頂蓋外板建立固定連接，即二者之間無滑移時，天窗頂蓋外板的自重變形為線性問題。

天窗頂蓋外板按照整車坐標系放置，即外表面向上（凸放）時，在重力作用下，天窗口后部沿Z軸負向的最大變形量為0.36 mm，如圖2所示。

當天窗頂蓋外板按照整車坐標系旋轉180°放置，即外表面向下（凹放）時，在重力作用下，天窗口后部沿Z軸正向的最大變形量為0.36 mm，如圖3所示。

由圖2和圖3可知，當天窗頂蓋外板自重變形為線性模型時，無論凸放還是凹放，其自重變形量一致。

4.1.2 非線性模型

設置位移邊界條件為：約束主定位孔B節點的5個自由度，釋放Z向的移動自由度；約束輔助定位孔C節點的4個自由度，釋放Y向和Z向的移動自由度；并在D1、D2、E1、E2和A1～A13與天窗頂蓋外板之間建立小滑移接觸。因為存在小滑移接觸，這時頂蓋外板的自重變形為非線性問題。

當天窗頂蓋外板凸放時，在重力作用下，天窗口后部沿Z軸負向的最大變形量為0.57 mm，如圖4所示。

當天窗頂蓋外板凹放時，在重力作用下，天窗口后部沿Z軸正向的最大變形量為0.68 mm，如圖5所示。

由圖4和圖5可知，當天窗頂蓋外板自重變形為非線性模型時，凸放比凹放變形量小0.11 mm。說明凸放能提高天窗頂蓋外板克服自重變形的能力。

通過圖4與圖2對比分析可知，非線性凸放比線性凸放變形量大0.21 mm，說明在建立線性模型時，定位面A1～A13與天窗頂蓋外板之間的固定連接限制了天窗頂蓋外板在重力作用下與定位面之間的滑移，這種邊界條件增大了天窗頂蓋外板模型的剛度。白車身沖壓件放在檢具上的過程是先放件后夾緊，沖壓件與檢具定位面接觸的瞬間，在重力作用下已產生小滑移，非線性自重變形的建模方式與實際更相符。

4.2 定位基準數量不足

由4.1節的仿真結果可知，天窗頂蓋外板檢測時的擺放姿態應定義為凸放。由圖4可知，天窗頂蓋外板天窗口后部沿Z軸負向的最大變形量為0.57 mm，超過沖壓件一般公差±0.5 mm，說明定位基準數量不足，需要增加定位面以克服自重變形。在天窗口后部中間位置增加定位面A14，如圖6所示。定位面A14的信息如表3所示。

構建天窗頂蓋外板非線性凸放模型，添加的位移邊界條件為：約束主定位孔B節點的5個自由度，釋放Z向的移動自由度；約束輔助定位孔C節點的4個自由度，釋放Y向和Z向的移動自由度；在D1、D2、E1、E2和A1～A14與天窗頂蓋外板之間建立小滑移接觸。如圖7所示，增加定位面A14后，在重力作用下，天窗口后部沿Z軸基本無變形；最大變形位置出現在天窗口兩側，沿Z軸負向最大變形量為0.16 mm，滿足設計要求。

4.3 定位基準設計冗余

某車型中通道焊接總成由6個沖壓件拼焊而成，X向長度為1 465 mm，Y向寬度為567 mm，Z向高度為311 mm，質量為15.9 kg，其定位基準如圖8所示。定位基準信息如表4所示。6個沖壓件料厚和質量信息如表5所示。

定義中通道焊接總成測量時按照整車坐標系凸放，添加的位移邊界條件為：約束主定位孔B節點的5個自由度，釋放Z向的移動自由度；約束輔助定位孔C節點的4個自由度，釋放X向和Z向的移動自由度；并在A1～A11與中通道焊接總成之間建立小滑移接觸。中通道焊接總成非線性自重變形如圖9所示，沿Z軸負向的最大變形為0.15 mm。

取消定位面A2、A5、A7、A9和A10，中通道焊接總自重變形如圖10所示，沿Z軸負向的最大變形量為0.15 mm，說明原定位基準設計冗余。

5 結論

薄板沖壓件與檢具定位面接觸的瞬間，在重力作用下，沖壓件與檢具定位面產生小滑移。沖壓件與定位面之間建立固定連接的建模方式會增大沖壓件的剛度，非線性自重變形的建模方式與實際更相符。

薄板沖壓件在檢具上不同的擺放姿態克服自重變形的能力不同，沖壓件凸放可以提高自身剛度，克服自重變形的能力更強。

利用HyperMesh與Abaqus構建接觸非線性聯合仿真模型，可模擬薄板沖壓件不同擺放姿態和定位基準數量對自重變形的影響，從而指導白車身薄板沖壓件測量方案的設計。

參考文獻：

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[4] 危淼， 趙寒， 石存秀. 檢具在汽車零件質量檢測中的作用及設計的有效性分析[J]. 南方農機， 2020（16）： 142-143.

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作者簡介：劉永超（1992—），男，碩士學位，主要研究方向為車身尺寸匹配技術。

參考文獻引用格式：

劉永超， 張建坤， 馬春輝， 等. 白車身薄板沖壓件自重變形非線性仿真分析[J]. 汽車工藝與材料， 2024（8）： 7-11.

LIU Y C， ZHANG J K， MA C H， et al. Nonlinear Simulation Analysis of Gravity Deformation of Sheet Stampings for Body-in-White[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（8）： 7-11.