基于有限元方法的车身B柱全工序焊接变形研究及应用.pdf

第3 2 卷第2 期2023年6 月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.2Jun.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 2-0 0 16-0 5D0I:10.13340/j.cae.2023.02.004基于有限元方法的车身B柱全工序焊接变形研究及应用王一栋（上海汽车集团股份有限公司，上海2 0 0 0 3 0）摘要：为研究不同车身结构对焊接变形的影响，对欧版原型车和产品安全措施（productsafetymeasure,PSM)项目车型的B柱区域同时建立电阻焊有限元焊接模型。应用热弹塑性有限元方法模拟B柱区域的焊接变形量，并进行B柱区域全工序链式仿真，得到整体焊接变形量。结果表明，B柱区域在电阻焊后产生最大0.8 5mm的变形,与实际变形量0.90 mm吻合。利用全工序链式仿真获得的整体变形量比各个工序简单累加的结果小，实际应用中效果良好。关键词：热成型板件；焊接变形；全工序；链式仿真；工装重定位中图分类号：TP391.9；U 46 3.8 3Research and application of whole-processes weldingdistortion in B pillar based on FEM(SAIC Motor Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China)Abstract:To research the influence of welding distortion from different vehicle structures,the finiteelement models of resistance welding in B pillar area are established both for original car in Europe andproduct safety measure（PSM)c a r i n Ch i n a.T h e w e l d i n g d i s t o r t i o n i n B p i l l a r i s s i mu l a t e d b ythermoplastic finite element method.At the same time,the chain-simulation is finished for whole-processes welding in B pillar area,and the total welding distortion is got.The results show that themaximal distortion in B pillar is 0.85 mm,which is in good agreement with real distortion 0.90 mm.Thetotal distortion from whole-processes chain-simulation is smaller than simple accumulation of eachprocesses,and it meets the real produce better.Key words:hot-forming plate;welding deformation;whole-process;chain-simulation;reposition0引 言车身B柱是碰撞试验的重点区域，直接影响乘员的生命安全。从2 0 世纪9 0 年代开始，汽车的B柱区域均采用超高强度的热成形零件，以增加强收稿日期：2 0 2 2-10-13 修回日期：2 0 2 2-11-2 5作者简介：王一栋（198 8 一），男，上海人，工程师，硕士，研究方向为车身焊接工艺优化，（E-mail）w a n g y i d o n g 0 1 s a i c mo t o r.c o mhttp:/文献标志码：BWANG Yidong度 13 。热成形零件有热敏感性，在焊接过程中会存在较大的焊接变形 4,实际生产中会在零件单件中做反向变形(预弯数据)进行消除。然而，一旦热成形零件的变形量设计不合理，就会直接影响车身在B柱区域的尺寸控制，引起车门难以安装等匹配cae ;smucae 第2 期问题 5,同时还会影响焊点连接强度 6 ,从而影响实际碰撞结果。基于有限元方法的焊接变形模拟能有效预测变形,降低生产成本。PERRET等 7 使用SimufactWelding软件预测铝合金板件在惰性气体保护焊焊接过程中的焊接变形，较为准确地模拟车身后横梁的焊接变形程度。ZAIN-UL-ABDEIN等 8 通过Abaqus软件顺序耦合的方法，基于三维有限元模型预测铝合金平板激光拼焊过程中的热循环曲线与板件的面内、外变形及残余应力分布情况。闫德俊等 9 利用非线性有限元法对某大型结构底板焊接顺序进行数值焊接模拟,并与实际试验进行对比，证明焊接顺序对改善焊接变形的控制有很大影响。本文针对中国产品安全措施（product safetymeasures，PSM)的加强车身设计，应用专业的有限元焊接模拟软件SimufactWelding，对B柱零件进行电阻焊焊接模拟。在对欧洲基础车的B柱变形量进行验证的基础上，与PSM加强车身设计的B柱变形量进行对比。同时，为更好地验证B柱总成的焊接变形对整车B柱区域变形量的影响,将B柱总成的焊接变形结果导人下一工序,完成B柱区域的全工序焊接变形仿真模拟，实现全工序链式仿真。根据仿真结果,定义适用于中国PSM项目B柱零件的变形量,并成功应用于实际生产。1B柱结构对比及焊接变形量预测本文研究的基础车型在欧洲已经量产。欧洲针对B柱的焊接变形,在B柱加强板零件中设计预弯数据。原则上，中国车型可直接沿用该数据，但为适应中国新的碰撞法规,中国PSM车型的B柱总成增加一个热成形零件一一B柱加强板内板,见图1。B柱加强板内板B柱封板一(a)欧版车型(b)PSM 车型图1B柱总成结构对比考虑到PSM车型的B柱总成新增一个热成形零件,B柱总成的刚性会增加，可以预见在整车焊接时B柱区域的焊接变形量会减小。然而,新增的B柱加强板内板也是热成形零件,增加一道焊接工序，在完成B柱总成的焊接过程中也会存在额外的变cae ;smucae 王一栋：基于有限元方法的车身B柱全工序焊接变形研究及应用采用的时间增量也必须很小10 释放温度能量分布冶金学分布机械to电分析热分析历史分析体积分析温度变化温度场相变分布网格变化塑性应变历史释放温度立能量分布冶金学分布机械1电分析热分析历史分析体积分析温度变化图2 电阻焊有限元求解过程焦耳效应将电能转换为热能。对于固定电流，热通量Q=UI=RI?式中：Q为热通量；U为电压;I为电流；R为电阻。在温度场的分析过程中，连续体内部存在剧烈B柱加强板的升温、降温过程，且受热区域随焊接热源发生移动,材料的热物性参数也随着温度变化而变化,故对非线性瞬态温度场过程进行分析,其控制方程为T_入(T)at-cp(dx(ax)+a式中:T为温度;为内热源功率密度;入、p和c分别为材料的热传导系数、密度和比热。在应力场求解的过程中,材料服从von Mises 屈服准则,可将应变分为弹性应变、塑性应变与温度应变,通过增量理论进行应力求解，ds=de。+d e p +d s r式中：ds为总应变增量;ds。、d s，和dsr分别为弹性、塑性及温度应变增量。17形,无法直接应用欧版的B柱预弯数据，需要重新进行焊接变形模拟。1.1热弹塑性有限元方法本文采用电阻焊。电阻焊是2 个导电组件在连接区域利用焦耳热融化而连接，可视为电阻器的串联。用有限元法对电阻焊的焊接过程进行模拟，电阻焊是电场、热场和力场的三场耦合，具体求解过程见图2。其中，电阻焊是用电阻热作为热源，热流密度与电流密度的2 次方成正比。为计算温度，必须计算电流密度；而电流密度又依赖通电路径的面积，即板与板及电极之间的接触面积。因此,在用有限元法对电阻焊的过程进行模拟时，需要进行热弹塑性解析、接触状态的判定、电流场的解析、温度场的解析等一系列计算。同时,电阻焊采用瞬态计算,在计算时要反复进行上述各步计算，为保证计算收敛，热应变，接触，塑性应变重置相变相变(aT)+0dy(dy)z(z)http:/(1)(2)(3)181.2焊接模型的建立本文采用体单元网格类型。在网格划分软件中,对B柱加强板、B柱加强板内板、B柱封板和侧围外板B柱区域，分别按照网格划分标准进行网格划分和网格质量检查，并在焊接区域进行局部细化以保证计算精度，通过增厚方法生成标准的六面体或部分三棱柱体网格。其中，非焊接区域网格尺寸约为8 mm（长）8 mm（宽）1.5mm（厚度），焊接区域网格尺寸约为2 mm（长）2 mm（宽）1.5mm（厚度），并在焊接模型的计算过程中采用二等级自适应网格细化保证计算精度。将网格数据导人SimufactWelding软件,定义为实体壳单元类型，对于薄板钣金件，实体壳单元类型可以很好地保证计算效率和焊接精度。根据实际工艺进行工装夹紧定义、焊接路径和焊接参数的设定，最后完成的整车B柱焊接模型见图3。计算机辅助工程欧版的整车B柱焊接变形量为向外0.8 5mm，PSM项目增加加强板的整车B柱焊接变形量为向外0.6 1mm,B柱的上半部分发生变化，下半部分基本不变。该结果与预期基本一致，由于B柱总成刚性的加强导致整车焊接变形量减小,PSM项目车型比欧版基础车的焊接变形量小0.2 4mm。分析欧版基础车用于开模的预弯数据，发现在车身坐标Z=700的位置Y向向内变形0.9 mm,与焊接模拟结果基本一致,验证焊接模型的准确性。2整车B柱焊接变形全工序链式仿真为更好地进行焊接变形量对比，在PSM车型的整车B柱焊接变形模拟过程中未考虑B柱总成的焊接变形,但实际生产过程中必须考虑。同时,B柱总成本身的焊接变形是否会影响整车的变形量也未可知。因此,需要针对B柱总成以及整车的B柱区域展开全工序焊接变形仿真。2.1焊接模型的建立针对B柱总成进行焊接变形模拟，焊接模型和模拟结果见图5。由图5可知,B柱总成在中上部也存在焊接变形，主要分布在法兰面上，Y向向外变形0.72 mm。2023年(a)欧版车型图3 整车B柱焊接模型对比为更好地进行整车焊接变形量对比,2 个焊接模型的定义基本一致,唯一的区别在于B柱加强板内板零件。为简化计算，新增的B柱加强板内板也仅通过Local Joint（物理连接）的方式连接，即只考虑B柱总成的刚度和力的传递,暂时不考虑B柱加强板和B柱加强板内板在焊接时的变形。1.3欧版基础车和PSM车型B柱焊接变形对比对2 个焊接模型分别进行模拟计算，获得的模拟结果见图4。-0.734-1.58-0.46(a)欧版车型图4整车B柱焊接模拟结果对比，mmhttp:/(b)PSM 车型-0.81m1.420.46(b)PSM 车型0.30-0.420.03300-0.03(a)焊接模型(b)模拟结果,mm图5PSM车型B柱总成焊接模型和模拟结果综合上述分析，B柱总成的焊接变形量向外0.72mm,PSM车型的整车B柱焊接变形量为向外0.61mm。如果是简单的数字叠加,那么需要考虑在B柱区域的相关零件上设计1.3 3 mm的反向变形量，但实际生产中需要综合分析，进行全工序链式仿真。2.2全工序链式仿真模型设计在完成上述B柱总成焊接变形仿真的基础上，通过UNV export方式把B柱总成焊接模拟的结果导出到SimufactWelding软件中，再重新导人如图1cae ;smucae 第2 期所示的PSM车型整车B柱焊接模型中，作为新的部件。这样可以很好地保证焊接过程的一致性，方便结果的对比。其中,比较复杂的问题在于零件的重新定位、夹持方案以及焊接路径的更新。由于B柱总成在焊接过程中发生Y向向外变形,因此B柱零件的网格就会与原始的侧围外板发生干涉。零件初始状态出现干涉的情况不能进行下一步计算，须利用SimufactWelding软件的重定位功能（Position）,以B柱总成为基准,将其他零件以及相关夹头进行重新定位，生成新的焊接模型。2.3铁链式仿真结果分析及应用效果对整车B柱全工序链式仿真模型进行求解，最后得到Y向变形结果，见图6。整车B柱焊接变形量为Y向向外1.18 mm，在B柱的上半部分发生变化。由此可见,该车型的B柱零件Y向向内变形量应该设定为 1.2 mm。王一栋：基于有限元方法的车身B柱全工序焊接变形研究及应用4=-0.194=-0.36图8 B柱单件测量报告,mm做成B柱总成之后的测量报告见图9。可知，零件的上部区域与下部区域的落差分别为-0.9和30.30-1.1mm。B柱总成在完成焊接后落差发生改变，上侧法兰面的变化量为-0.7 1mm，下侧法兰面的变化量为-0.7 4mm,即在焊接完成后,B柱总成零-1.48件的法兰面分别向外变形0.7 1和0.7 4mm，与第2.1节中B柱总成焊接模拟的结果“向外变形0.7 2mm非常接近。0.02“二”表示向外-0.819mm的预弯数据，可以用于比较从单件到总成的变化。B柱单件的测量报告见图8,可以看到单件在Z=700区域与零件下部的落差分别是-0.19 和-0.36 mm。“”表示向外_0.140.330.364=0.90.1图6 整车B柱全工序链式仿真结果，mm3B柱零件反向变形及实际应用根据最终的模拟结果，制作相关零件的预弯数据设计技术说明,B柱区域几个零件的Y向向内变形量定义为1.2 mm。通过Catia软件中的创成式曲面设计制作预弯数据，用于模具加工及零件生产质量监控，具体见图7。Z-1 060Z-700Z-50(a)总览图图7 预弯数据设计技术说明这些预弯零件用于实际生产后,B柱单件和B柱总成定义的测量基准均为做好Y向向内变形1.2cae ;smucae 4=-1.1-0.9图9B柱总成测量报告，mm反向补偿的最终目的是让整车尺寸良好，对整车的尺寸监控使用的是原始设计数据，因此无法通过前后工序的测量报告对比B柱总成到整车的具1.2mm向车内00.2101.2mm体变形量。查看预弯数据的设计是否合理，只需检查Y向向内的变形量是否正好是焊接过程发生的变形量。由图10 可知，整车在B柱区域的尺寸控制良(b)明细图好。上、下铰链位置的Y向尺寸都在公差以内，并且Y向落差仅为0.16 mm,满足上下门铰链的同轴度装配要求，同时也很好地满足车门装配后的关闭力大小控制。这说明本文采用的全工序链式仿真方http:/20法提前预测的焊接变形量是准确的,根据预测焊接变形量制作出来的预弯数据很好地补偿B柱总成以及整车B柱区域的焊接变形。AV+1.5NLS155103TrueAV+15NLST:S5104CAR0.49图10 实车尺寸情况，mm参考文献：1杨柳，程轩挺，孙游，等，超高强热成形钢B1500HS的电阻点焊工艺和接头性能J上海交通大学学报，2 0 12，46（7)：110 3-110 6.D0I:10.16183/ki.jsjtu.2012.07.020.2金泉军，李中兵，徐有忠，等热压成型钢板焊接性能研究 J电焊机，2 0 0 8，3 8（11）：15-17.3马宁，胡平，郭威.高强度钢板热成形成套技术及装备 J汽车与配件，2 0 0 9（45）：2 8-3 0.4董文超，陆善平，李殿中：焊接顺序对大型薄板装甲钢结构焊接变形的影响 J焊接学报，2 0 15，3 6(7：43-46.5王庆，刘钊，黄平华，等：白车身激光焊接过程的变形预测及几何补偿方法 J：上海交通大学学报，2 0 19，53（1）：6 2-6 8.D0I：10.16183/ki.jsjtu.2019.01.009.6金泉军基于焊点强度模拟的点焊连接关系研究 J电焊机，2 0 10，40（5）：16 6-17 1.7PERRET W,THATER R,ALBER U,et al.Approach to assess a fast welding simulation in an industrial environment:Application for anautomotive welded partJ.International Journal of Automotive Technology,2011,12(6):895-901.D0I:10.1007/s12239-011-0102-0.8ZAIN-UL-ABDEIN M,NELIAS D,JULLIEN J F,et al.Prediction of laser beam welding-induced distortions and residual stresses by numericalsimulation for aeronautic applicationJ.Journal of Materials Processing Technology,2009,209(6):2907-2917.9闫德俊，刘雪松，周广涛，等大型底板结构焊接顺序控制变形数值分析 J.焊接学报，2 0 0 9，3 0（6)：55-58.10上田幸雄，村川英一，麻宁绪焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序【M罗宇，王江超，译成都：四川大学出版社，2 0 0 8：184-185.计算机辅助工程4 结 论应用有限元焊接模拟软件SimufactWelding，对B柱区域的热成形零件在B柱总成焊接及整车的电-0.494=0.16-0.36AVNLSTS5103,46-0.65AY0.65+15AV2023年-0.4915AVNLSTS5103_L270.050.2715_CAN.DistTrue15阻焊过程中的焊接变形进行研究,得到以下结论：(1)零件总成结构的变化会影响该区域的焊接变形量。(2)对于多工序焊接变形量的定义，不能把几个工序的焊接变形量简单相加。(3)运用多工序链式仿真方法可以预测多工序焊接的整体变形量,采用反向补偿的预弯零件在实车中应用情况良好。(编辑陈锋杰）http:/cae ;smucae