基于有限元分析的制造业成本控制

罗思颖

（广州广汽荻原模具冲压有限公司，广州 511434）

0 引言

在工业发展过程中，汽车轻量化越来越成为工业可持续发展方向备受关注的焦点，轿车轻量化可分为车身轻量化、底盘轻量化、动力系统轻量化和材料轻量化等。当前，材料轻量化是汽车实现轻量化最常用的方法之一，为了降低生产试制过程的成本，往往采用低成本的虚拟仿真制造技术达到这一目的。虚拟仿真制造技术是以制造技术和计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、CAE等多种高新技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。简而言之，虚拟制造技术是在产品生产制造前在虚拟制造环境中生成模型产品进行试验仿真分析，进行试验，对其性能和可造性（可行性、成型性）进行预测和评估，对产品的生产过程进行优化调整从而降低产品的开发周期和成本，提高系统快速响应市场变化的能力[1]。

有限元仿真分析可用于副车架开发过程，验证副车架强度、刚度、模态、耐久疲劳等性能是否满足设计要求，从根本上改变了产品设计、试制、验证、调整设计的传统循环制造模式。副车架在汽车的整体结构中较为复杂，且需要承受循环应力作用，对汽车的舒适度和转向性至关重要[2]。在完成3D数据初步设计后，焊道长度及位置的确定缺乏理论依据，将会直接影响产品的开发进度和成本核算。

本文利用有限元分析的方法对焊道的优化进行验证，在保障产品模态、动刚度及强度的前提下，缩减焊道长度，调整分布，降低生产成本及生产周期。

1 焊道优化

零件的焊接方式、夹具定位方案及装配顺序规划等焊接工艺设计对生产成本有着重要影响，由于开发过程中设计工程师对焊接工艺领域知识面了解并非十分全面，会导致在ET试制过程中焊接工艺生产成本投资过大，在现行严峻紧张的社会环境下，成本与时间是制造型工厂生存发展的决定因素[3]。从工艺工装角度来说，焊道优化可以完善零件焊接的工艺性，因此，优化焊道成为焊接工艺中降本增效的重要方式之一。

2 焊道优化过程

在前期数据开发建模过程中遇到焊接工艺成本问题时，首先进行初步工程判断，这一步需要充分和设计工程师及焊接工程师进行沟通，尽量获取更多的资料和数据，结合现在的结构工艺需求，提出协调改善的意见和建议，既降低成本压力，又保证了生产工艺性，避免模糊的直觉判断[4]；其次再进行有限元分析，这一步需要运用理论和经验上的判断，决定计算的模型、规模和类型，即使用有限元仿真软件建立HyperMesh有限元仿真模型，进行零件模型模态分析及强度分析，获得分析结果；最后结合焊接工艺原则上优化原焊道长度的30%，保留70%，避让关键焊缝，多次迭代验证不同工况的强度分析结果及模态分析结果，在满足副车架力学性能要求的前提下，连续两次迭代的目标值相差小于给定收敛容差，输出最终焊道优化后的数模及分析结果，OptiStruct默认的收敛容差是0.5%，数模获得客户认可后运用于焊接生产[5]。

2.1 有限元仿真模型

2.1.1 网格划分

首先，导入几何模型，文件格式首选STP格式，保证导入数模是实体；其次，从复杂的几何体抽出中面，抽取中面后进行网格划分，该操作可以提高求解效率，节省大量建模时间，适用于钣金冲压件、带肋的塑料件和其他厚度远小于长度和宽度的零件上，但用来抽取中面的原几何是不会改变的；最后，连接模拟焊道及标准件，焊道采用Shell单元模拟，单元类型均为CQUAD4及CTRIA3，螺母、螺栓连接采用刚性单元连接，单元类型为RBE2[6]。初始焊道连接总长度为9 541 mm。网格划分有限元模型焊道分布如图1所示为后副车架FEM示意图。

图1 后副车架FEM示意图

2.1.2 材料属性

此款副车架所用材料均为GH420MC钢材，材料属性设置如表1所示。

表1 材料参数

2.1.3 定义边界条件

模态采用自由边界，因为自由模态可以在一定程度上得到约束模态，从模态分析难易程度上而言，自由模态比约束模态更容易实现。模态分析是以描述结构特性的固有频率和振型等模态参数，以了解系统的刚度特性[2]。动刚度采用自由边界，无约束，扫频范围为0～1 000 Hz，扫频间隔为1，结构模态提取20阶。输出1～500 Hz的加速度导纳曲线，纵坐标为dB20对数，加上两条目标曲线5 000 N/mm和10 000 N/mm，加载点的动刚度曲线如图2所示，动刚度分析输出500 Hz的等效动刚度值，等效动刚度值求解方程如下：

式中：Δf是单位频率步长；f为频率；i为横坐标扫频范围；分子在500 Hz上的值是定值，为1.64×109，AREAIPIk为加速度导纳曲线在1～500 Hz内的面积和。

图2 动刚度曲线

强度分析则采用4个车身安装点全部约束，即通过引用边界条件去除刚体位移约束车身安装点1～6方向自由度，力和力矩加载在硬点上，使用结构非线性计算得出应力满足材料的屈服极限[7]。

2.1.4 载荷施加

动刚度分析过程需对安装点加载频率相关的动载荷，而强度分析则根据不同工况的载荷数据对安装点的X、Y、Z三个方向施加相应的力及力矩。

2.2 数值模拟结果分析

2.1.1 模态分析结果

根据模态分析位移云图削减非关键焊道，结合生产工装工艺需求，避开应力集中的焊道位置，即结果云图中显示浅色的区域，删减非关键焊道位置的网格，即结果云图中显示深色的区域，后副车架多次迭代优化后1阶扭转和1阶弯曲值结果如表2所示，1阶扭转结果云图如图3所示。

表2 模态分析结果优化前后对比

图3 模态分析结果云图

2.2.2 动刚度分析结果

根据模态分析位移云图削减非关键焊道，结合生产工装工艺需求，避开应力集中的焊道位置，删减非关键焊道位置的网格，连接点的动刚度一般要求主方向大于10 000 N/mm，次方向大于5 000 N/mm[8]。后副车架安装点动刚度分析结果表明，4个不达标点的动刚度均有所提高，具体数值如表3所示。

表3 动刚度分析结果不合格数值

2.2.3 强度分析结果

后副车架缩减焊道100 mm，为保证性能，通过分析0.7g加速、1g前进制动、0.7g倒车制动、3.5g单轮冲击和1g右转向这5种极限工况的强度校核，读取节点应力和应变，分析在极限工况下以所得最大应力值不超过材料的屈服强度为准，若结果应力大小低于材料的屈服强度，则该点强度合格。后副车架所有硬点强度结果合格，说明在不影响副车架强度的前提下，通过改变焊道长度可降低后副车架的制造成本。后副车架强度分析验证了5个极限工况的加载情况，结果如表4所示。

表4 强度分析结果优化前后对比

3 结束语

本文通过新上市的某车型后副车架的焊道优化为例，用Hypermesh软件进行模拟分析得出，在满足客户性能要求前提下，根据分析结果不断进行优化，焊道长度缩减15%，大大降低了开发成本，提高客户的认可度，提升公司的技术氛围。

本文通过改变焊道长度降低了副车架的制造成本，该模型说明了利用有限元分析进行焊道缩减的方案可行，为以后的公司降本增效的发展方向提供了一定的借鉴意义。从力学性能角度降低开发成本还有很多优化方式，本文是通过比较直观的焊道优化方法论述该结果，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动力，今后会关注新技术新设备新工艺的出现，并尽快掌握工艺分析知识。

此外，副车架力学性能过剩，也可从工艺制造的角度改善零件的结构，缩短工装开发的周期，保证零件产品的精度，从产品的角度达到降本增效的目的。该种方法适合在产品开发初期与力学性能分析结合使用，能有效地避免不必要的工装开发，降低开发周期和成本，达到事半功倍的效果。