车身后端板机运运输变形分析及结构优化

随着汽车行业竞争越来越激烈，对车身制造的要求也越来越高，高质量、柔性化及高节拍生产越来越成为车身制造的发展方向，采用快速的机运系统是提升车身制造效率的有效途径之一:比如车身车间摩擦滚床的应用。车身零件总成之间需保证良好的连接强度，从而满足车身总成高速、高节拍的机运运输需求。

运输变形是薄板零件常见的变形形式之一，严重的运输变形将引起零件表面质量问题，造成结构或工艺失效等问题。因此，对零件在运输过程中的变形进行合理预测，提前发现变形风险，从而在零件设计阶段对零件进行结构优化、避免变形风险具有重要意义。宋平等通过采用有限元分析方法，分析圆柱形整环在运输工况下的应力和变形，得出其变形的趋势和应力集中的位置。针对这些薄弱位置，采取不同的加固措施，从而得出合理的加固措施，确保圆柱形整环运输的安全性和稳定性。李相周等对钢箱梁梁块运输、吊装过程中的应力和变形进行有限元分析，为钢箱梁安全施工提供理论保障。

汽车白车身制造工艺同步工程是由美国国防分析研究所(Institute for Defense Analysis，IDA)在20世纪80年代所提出。根据其(IDA)R338的定义:“同步工程(Simultanous Engineering,SE)是集成地并行地设计产品及相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法”。这种方法要求产品 开发人员与其他人员一起并行工作，在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废 处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求。

本文通过在车身工艺同步工程阶段，采用有限元求解软件Optistruct对后端板在车身制造过程中的机运运输变形进行分析，指导后端板结构优化，从而避免机运运输变形造成的车身连接、尺寸匹配等质量风险，为提前发现车身制造质量问题、节约制造成本提供理论方法和依据。

车身后端板

后端板总成是车身重要的连接零件，其通过点焊与车身后地板和左右侧围后部相连，如图1所示。在车身整体的连接中，其连接强度非常好，可以满 足制造过程中机运运输的启动、急停等制造工况要求。然而，根据车身结构设计及制造装配顺序，在下车身与上车身装配之前，后端板仅与后地板连接， 如图2所示。因此，为了保证后端板在工位之间机运运输制造过程中的连接和尺寸的稳定性，后端板与下车身连接需保证足够的强度，从而保证与后道 工位的零件良好的尺寸匹配，避免后端板在与下车身的制造过程中发生永久变形。

为保证后端板在制造过程中的连接强度，其常见增加连接强度的方式有如下3种:
1）后地板无备胎坑结构，且后端板与后轮罩设计距离较远，增加后端板与后地板侧面底部的连接，如图3所示。
2）后地板备胎坑结构较深，通过torsion box与后地板总成连接，如图4所示。
3）后地板备胎坑结构较浅，且后地板与轮罩设计距离较近，通过后轮罩与底板总成连接，如图5所示。

一般来说，图4和图5由于增加了后端板上部连接，整体连接分布较均衡，在制造过程中，后端板与下车身连接强度较好。图3的连接形式由于结构设计原因，连接分布在底部，为确保其连接强度满足车身制造过程中机运运输变形的要求，在车身工艺前期同步工程中，采用有限元仿真方法对其制造过程中的连接强度进行分析，并根据分析结果指导结构改进和优化，使其满足制造要求，避免制造过程中零件发生永久变形，防止零件后期更改造成零件修模等成本的增加。

机运运输变形分析

车身制造过程中，零件总成之间需满足一定的连接强度，从而保证车身制造过程中良好的连接质量和尺寸匹配要求。由于分析工况主要是评估后端板在下车身总成中是否存在运输变形风险，采用下车身有限元模型对后端板运输状态进行仿真分析。

1.有限元模型

采用常用的有限元前处理软件Hypermesh建立基于Optistruct的有限元分析模型。通过在车身钣金中面划分平均尺寸为5mm的2D网格，通过单元属性赋予零件厚度，采用ACM单元建立点焊连接，采用RBE2刚性单元对弧焊等焊缝进行模拟。由于该分析工况仍处于车身车间，胶类零件未经油漆车间高温烘烤后的膨胀和硬化，胶类零件在车身车间还未实现有效的连接。因此，模型不考虑胶类零件的连接。最终得到下车身有限元模型如图6所示，总计包含单元总数915 568，四边形单元826816，三角形单元36353，ACM连接焊点数3594，刚性单元TBD。

2.仿真边界条件

根据车身在制造过程中的机运运输及固定方式，对车身底板四个主定位孔进行固定约束，如图7所示。根据机运过程中启动、 急停的最大加速度，对下车身模型在机运方向施加0.5 g惯性载荷，同时考虑重力1g惯性载荷，其中g取9.8m·s-2。

3.仿真结果及分析

通过在Hyperview中提取计算结果，可得到下车身在机运急停过程中零件的应力云图和变形云图，如图8和图9所示。由图8可知，后端板在运输过中 最大应力达206 MPa，发生在 定位焊点附近，已超出材料屈服140 MPa，说明连接处已发生永久变形。由图9可知，在机运运 输过程中，后端板上部最大位移可达19.3 mm。

根据上述分析方法，针对后端板其他两种连接形式进行分析和对比，得出如表所示的结果。由表可知，后端板通过与torsion box或轮罩连接后，具有较好的连接强度，机运过程中最大应力小于屈服强度，过程中最大位移也远小于与后地板连接的情况，因此可以满足制造要求。针对与后地板连接的情况，需要通过结构优化加强后端板的连接，使其满足要求。

结构改进

根据上述分析结果，后端板与下车身连接强度不足，造成后端板运输过程中零部件连接处发生永久变形。因此，需通过增加结构连接，使其满足制造要求。提出如下两个结构改进措施，延伸后端板侧面，在侧面增加两个定位焊点，如图10和图11所示。

对改进后的结果进行有限元分析校核，由图12可知，改进后零部件的最大应力为32.2 MPa， 已降至屈服强度以下，零部件无永久变形风险。且运输过程中零部件的最大变形仅为1.2 mm，满足制造机运运输要求。

综上，增加后端板与车身侧面的连接对于其连接强度具有非常有效的提升作用。由此可知:后端板无侧面连接，零部件运输过程中类似悬臂结构，结构连接稳定性差，强度较弱;而通过增 加侧面连接，后端板与下车身连接犹如半包结构，连接稳定性高，强度较高。

总结

通过在车身工艺同步工程阶段对下车身进行机运运输有限元虚拟评估，发现零部件在制造过程中的变形风险，并根据分析结果对零部件结构进行优化，对于提升车身在制造过程中的连接质量和尺寸稳定性，避免零部件在制造过程中发生永久变形，降低零部件后期的修模、物料等制造成本具有重要的指导意义。