车身钣金零件热变形CAE仿真分析方法

摘要

本发明公开了一种车身钣金零件热变形CAE仿真分析方法。它是车身钣金零件的第一数模数据通过冲压变形仿真分析获得的第二数模数据导入到焊接工艺车身钣金零件热变形仿真系统，进行工艺车身钣金零件焊接热变形仿真分析获得的第三数模数据，再对第三数模数据进行涂装工艺热变形仿真分析获得第四数模数据。该方法只需车身3D数模即可进行热变形分析，打破了传统方法必须利用实车的束缚条件，从而可将新车型钣金热变形问题的检证、对策时间由T阶段(实车阶段)提前到CST/P/D阶段(图纸阶段)，极大地缩短实车的品熟周期。

说明书

技术领域

本发明属于车辆零部件仿真技术，具体涉及一种车身钣金零件变形仿真技术。

背景技术

车身轻量化已成为汽车行业改善油耗的主要方法之一。行业内的常用方法是通过使用新材料、优化车身结构设计，在保证碰撞、强度等要求的前提下，最大限度的降低钣金件的料厚(特别是外覆盖件蒙皮)，达到降低车身重量的效果，从而降低整车油耗。但是，外覆盖件(车门、引擎盖、侧围、顶棚等)的钣金料厚降低，其抗变形的能力变差，在涂装车间烘烤过程中，由于冲压、焊接等应力受热集中释放，白车身在烘烤后出现凹凸、曲翘变形的问题日益增多。

针对新车型外覆盖件钣金烘烤变形问题，目前行业内主要的检证方法是在T阶段(生产准备阶段)使用实车进行验证，通过不断尝试、验证、对比效果，摸索、寻找最佳对策。该方法具有实施过程简单、问题/对策效果目视直观等优点，但存在以下不足：

(1)试制阶段实车数量较少，而且试制阶段各车间工艺条件并未固化，因此很难得到真实的实物变形结果，难以排除偶然性因素影响；

(2)钣金受热变形影响因素多，通过实车找到有效对策的方法非常困难，往往需要多轮验证；验证过程需要设计、冲压、焊装、涂装等关联部门协同合作，组织协调业务量大。因此，实车验证过程消耗的人力物力成本高，且品质熟成周期长；

(3)到试制阶段，新车型的冲压模具、焊接夹具等实物已经加工完成，此时再对覆盖件型面进行调整，将产生高昂的模具、夹具改修费用，不利于新车型的开发成本控制。

因此，利用实车验证的方法对应钣金受热变形问题对提升新车型品质、缩短品质熟成周期、降低开发成本等都会造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全工艺流程的车身钣金零件受热变形CAE仿真分析方法，快速确定车身钣金零件的变形位置和变形量数据。

本发明的技术方案是：它是将车身钣金零件的第一数模数据通过冲压变形仿真分析获得的第二数模数据导入到焊接工艺车身钣金零件热变形仿真系统，进行车身钣金零件焊工艺热变形仿真分析获得的第三数模数据，再对第三数模数据进行涂装工艺热变形仿真分析获得第四数模数据。

其中，车身钣金零件的第一数模数据导入AUTOFORM软件(系统)，第二数模数据导入Abaqus软件(系统)，第三数模数据利用Abaqus软件对第三数模数据进行涂装工艺过程的热变形仿真分析。

进一步的技术特征是，所述冲压过程变形仿真分析方法包括：将车身钣金零件的第一数模数据导入到车身钣金零件冲压变形仿真分析软件，设定冲压方向，定义第一数模数据材料属性(材料型号、料厚等)，规划冲压工序，并对后工序模面、拉延压料面和拉延工艺进行设计，设定相应的工具体和分析精度参数，最后进行仿真计算，获得包含有应力应变结果的第二数模数据。即将构建的车身钣金零件的第一数模数据导入到工艺车身钣金零件冲压变形仿真系统，对第一数模数据赋予第一产品属性、第一材料属性、第一工艺属性后，对拉延压料面和拉延工艺进行修改，确认修边及冲孔展开角度，设定分析精度参数，进行仿真分析，获得包含有应力、应变结果的第二数模数据。

进一步的技术特征是，焊接过程热变形仿真分析方法包括：将第二数模数据导入Aabqus软件，并对其赋予第二材料属性(密度、弹性模量、塑性应力/应变等)，确定车身钣金零件装配的位置关系，基于焊接工艺设置分析步，设置交互关系，设置边界条件，进行焊接过程变形的仿真分析，获得包含冲压及焊接过程后应力应变数据的第三数模数据。

进一步的技术特征是，涂装工艺热变形仿真分析方法包括：将第三数模数据中的应力应变数据作为Part导入Aabqus软件，对第三数模数据赋予第三材料属性(热传导系数、热膨胀系数、比热容等)，确定车身钣金零件装配的位置关系，基于涂装工艺过程创建分析步，设置交互关系和边界条件，进行涂装过程变形的仿真分析，获得包含冲压、焊接、涂装过程处理后的应力应变结果的第四数模数据。

进一步的技术特征是，在焊接仿真分析方法中，基于Abaqus系统，根据各部件的实际焊接顺序、焊点的数量及每个点的焊接时间，设置每一步的模拟Step分析；所述Step的类型选择为Coupled temp_displacement；Response类型选择为Transient、在Time period中输入每个焊点的焊接时间，Step之间连接顺序与实物的焊接顺序一致。

进一步的技术特征是，涂装工艺热变形仿真分析中，所述设置边界条件包括车身钣金零件重力以及涂装治具约束设置。

本发明其理论原理如下：

在该应力/应变分析模型中，位移(变形量)是未知量，各节点的温度当做已知的外部载荷，从而计算热应变：ε

对于静力学分析计算，应变ε

应力求解σ＝D(θ)ε

其中，α—热膨胀系数，

θ—当前温度，

θ

根据上述方程式，温度场通过热膨胀(收缩)影响与温度相关联的机械属性来影响机械场，从而得到应力和位移的结果。

使用该方法，只需车身3D数模即可进行热变形分析，破解了传统分析验证方法必须利用实车的束缚条件，从而可将新车型钣金热变形问题的分析、对策时间由T阶段(实车阶段)提前到CST/P/D阶段(图纸阶段)，极大地缩短实车的品熟周期。

同时，使用该CAE仿真分析方法，能够快速得到不同对策条件下的改善效果(如改变钣金零件的数模造型、增设加强贴等)，从而更快速的找到最佳的对策方案，在设计阶段发现并消除该变形问题，既提升了新车型的外观品质，又有效地避免了实物阶段的模具、夹具等多次调整，从而削减高昂的改修费用。

附图说明

图1本发明流程图。

具体实施方式

下列具体实施方式用于对本发明权利要求技术方案的解释，以便本领域的技术人员理解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下列具体的实施结构。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的具体实施方案之一如下：

1、冲压过程的变形仿真分析包括：

①导入产品：将构建的车身钣金零件的第一数模数据，如CATPart格式或IGS格式产品数模导入AUTOFORM软件中，如果数据有缺失，需进行修复，在AUTOFORM软件中赋予产品属性，包括定义产品类型及对称类型；

②赋予材料属性，包括定义材料：从本地导入与零件2D图相对应的材料参数，并进行材料厚度设置；

③赋予工艺属性，包括设置冲压材料方向：设置冲压中心和旋转角度；

工序规划：根据产品的冲压过程，设置拉延、翻边、修边等工序，并根据实际加工情况选择每个工序的模拟命令类型、并设置相应参数；

④后工序模面设计：按照工序规划设置的工序，从最后一道工序逐步向前设计各工序工艺模面；

⑤拉延压料面设计/拉延工艺补充设计：对产品进行“Modify”修改操作，包括对产品面的孔洞进行填充、边界进行缝补及设置过拉延等；对于过渡连接不顺的部位，可通过控制线调整或使用“Fill”进行光顺；

⑥修边检查：在“Trimchk”页面进行对修边及冲孔展开角度确认；

⑦BL材设计：对BL仕样和尺寸进行编辑；

⑧工具体/精度设置：按照工序规划设置的工序，从第一道工序逐步向后设置各工序工具体，并对分析精度参数进行设置，保证分析结果准确；

⑨进行仿真分析：上述步骤完成后，即完成了对冲压过程的模拟建模，提交分析后获得零部件在冲压过程中产生的应力应变情况，得到包含应力、应变数据的第二数模数据。

2、焊接热变形仿真分析包括：

①结果导入：将冲压过程的分析结果作为输入条件进行导入；将第二数模数据导入到Abaqus软件，选取该软件的“显式”分析类型进行后续步骤；

②赋予材料属性，包括定义材料：在软件的“Property”界面下，首先选择“EditMaterial”命名，并依次选择Density(密度)，Elastic(弹性模量)，Plastic(塑性应力/应变)，Conductivity(热传导系数)，Expansion(热膨胀系数)，Specific heat(比热容)、膨胀胶/折边胶的粘度变化曲线等材料属性，并输入每种材料的实数值；其次，创建“Section”(截面)，“Section”的类型依次选择“Shell”→“Homogeneous”，并设置截面的料厚；最后将每一种“Section”赋予给对应的零部件；

③装配部件/检查：对所有部件进行装配，并检查、调整各部件的位置关系，使其与实际一致；

④设置分析步：根据各部件的实际焊接顺序、焊点的数量及每个点的焊接时间，设置每一步的模拟“Step”(分析)。“Step”的类型选择为“Coupled temp_displacement”、“Response”类型选择为“Transient”、在“Time period”中输入每个焊点的焊接时间，“Step”之间连接顺序必须与实物的焊接顺序一致；

⑤设置交互关系：在“Interaction”界面下设置“Creat constraint”，类型选择“Tie”；根据部件的料厚(部件的刚度)、网格大小情况依次设置各部件之间的“Interaction”(相互作用)关系；

⑥设置边界条件(载荷)：在“Load”界面，首先对每一个“Step”依次创建载荷“Create load”、选择每一个“Load”的“Thermal”和“Type”、输入每个焊点的热量(热载荷)并保存；其次在“Load”界面下，根据焊接时夹具对零部件的固定情况，设置每一个“Step”状态下部件的约束条件“Creat Bountry ConDition”(每一个边界条件的“Thermal”和“Type”类型选定必须与要求一致、准确无误)；最后，在“Load”界面下设置部件的预定义温度场“Creat Predefined Field”，选择相应的“Thermal”和“Type”类型，并输入部件的初始温度等参数。

⑦提交分析：在设置好上述所有的参数和步骤后，即完成了焊接加工过程(焊接高温、夹具夹持等)的建模，选择Abaqus中特定的热分析模块和类型，分析在焊接、夹具夹持等外在因素影响下，零部件中应力应变的变化情况；

⑧后处理：分析完成后，得到包含冲压及焊接过程后部件应力应变数据的第三数模数据。

3、涂装工艺热变形仿真分析包括：

①结果导入：在Abaqus软件中，将第三数模数据中的应力、应变数据(ODB文件)作为Part进行导入；

②赋予材料属性，包括定义材料：在软件的“Property”界面下，选择“EditMaterial”命名，并依次选择Density(密度)，Elastic(弹性模量)，Plastic(塑性应力/应变)，Conductivity(热传导系数)，Expansion(热膨胀系数)，Specific heat(比热容)等子选项，输入每种材料的实数值；其次，创建“Section”(截面)，“Section”的类型依次选择“Shell”→“Homogeneous”，设置好截面的料厚；最后将每一种“Section”赋予给对应的零部件(“Edit Section Assignment”中的“Shell Offset”设置需与要求一致)；

③装配部件/检查：再次检查、确认各部件的位置关系；

④设置分析步：创建一个“Step”(分析步)即可，“Step”创建过程中“ProcedureType”、“Response”、“Automatic Stabilization”、“Incrementation”等选项必须按照要求进行选择和设定相应设置；

⑤设置交互关系：在“Interaction”界面下设置“Creat constraint”，类型选择“Tie”；根据部件的料厚(部件的刚度)、网格大小情况依次设置各部件之间的“Interaction”(相互作用)关系；

⑥设置边界条件(载荷)：根据分析的部件不同，分别设定不同的边界条件或载荷(如分析引擎盖时，需要设置重力载荷和烘烤温度的边界条件；分析侧围时，只需要设定烘烤温度的边界条件)。烘烤温度的设置方法是：在“Step1”中选择相应的“Category”和“Types for Selected Step”类型，进入温度设置界面，将部件的涂装烘烤温度-时间曲线数据经特定方法转换后，在温度设置界面选定曲线类型后、输入转换后的曲线数据(“CreatAmplitude”)和最高温度值；

对应变形受重力、涂装治具影响较大的部件(如引擎盖)，还需要设置这两个因素的模拟参数。

重力设置方法是：在“Load”界面选择“Create Load”，进行后续子选项的选择和设定，输入对应的参数数值、选择好力的方向；

治具支撑作用的模拟方法是：在在“Load”界面选择“Create boundarycondition”，根据治具对部件的支撑(限位)形式、位置、接触面区域等信息，设定好部件在各个方向上的约束情况；

⑦提交分析：在设置好相应的材料特征参数、载荷和边界条件后，即完成了涂装加工过程的建模，选择Abaqus中特定的热分析模块和类型，分析部件在涂装烘烤、治具支撑(限位)等外在因素影响下，零部件中应力应变的变化情况；

⑧后处理：分析完成后，得到包含冲压、焊接、涂装过程共同作用之后的应力、应变数据。选择软件相应的显示内容，即可通过颜色直观的看到部件通过上述工艺处理后，所有部位的变形情况(变形趋势的方向、变形量数值)。

本发明创造性的建立了基于AutoForm和Abaqus的汽车钣金件热变形CAE仿真分析方法，可实现对冲压、焊接、涂装全过程的模拟分析，填补了目前行业内针对该痛点问题的仿真分析技术空白。

经过多个车型、多种部件的仿真分析，及与实物的对比验证，不断对分析流程和方法进行调试、修正和完善，目前使用该分析方法，冲压、焊接、涂装每个过程需要模拟的影响因素，每个影响因素在软件中的设置方法、要求、设置数值、操作顺序等已明确，已初步形成了一套完整的热变形CAE仿真分析体系。按照该体系中规定的方法进行各过程的仿真建模，最终分析结果与实物匹配程度已达81％(仿真分析与实测值差异在±1mm内)，具备了在新车型图纸阶段进行应用的条件。

分析完成后，针对变形量超出基准的位置，通过修改产品数模(如改变造型)，或调整工艺条件(如增加工装治具数量)，再对不同的对策进行CAE分析，找到有效对策；通过对多种有效方案的对比，确定最佳的对应方案。

本发明已在多个车型的发动机盖、尾门、侧围外板、顶棚外板，等多个车身钣金零件上进行了等分析和验证，在新车型上实施后的效果如下：

(1)品质方面：新车型完成车盖物的间隙段差水平显著提高(曲翘变形量降至标准范围内)，外观品质提升(外观面凹凸变形消除)；

(2)成本方面：热变形验证车需求显著减少，平均每个新车型模具/检具改修次数降低2-3次、修模等费用削减120千元左右；

(3)品熟周期方面：新车型品熟周期平均缩短3-4个月，量产日程保证能力持续提升。