基于NX_Nastran的汽车大型冲压件静力分析和优化

李伟

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007)

0 引言

汽车的门内板作为大型冲压件，绝大多数整车厂商都是自己开发GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing，几何尺寸和公差）图纸和检具，对内板上的玻璃导轨安装点（影响玻璃升降异响）和型面轮廓度要求很高。因此门内板的基准设计和摆放方式非常重要，不同的基准设计和摆放方式会影响内板上的安装孔和型面检测准确性。

本文采用NX_Nastran 软件对某车型的前门内板进行有限元静力分析，对不同的摆放方式、基准设计进行求解，然后分析求解结果，以静力变形最小为目标进行优化，以期达到基准设计最优方案。

1 前门内板的基准分析

某车型的前门内板GD&T 图纸基准开发如图1所示。在GD&T 开发过程中，基准选取我们都遵循“N-2-1”原则来限制零件的6 个自由度[1]。

图1 某车型前门内板基准设计

“N”一般为零件投影面积最大面上选取的N 个主基准点，以限制3 个自由度。随着零件大小、结构的不同，N 的数量也不同，不能太多也不能太少。多了的话就有可能把变形回弹的面强行夹紧产生误差；少的话有可能会支撑不足导致型面下塌。“2”为次基准，用来定位限制2 个自由度；“1”为第三基准，用来固定限制零件的旋转，限制1 个自由度。

有孔的零件基准点一般选取孔或者销[2]。在本案例中选取A1、A2、A3 和A4 这4 个坐标点为基准点，B、C 这2 个基准孔，这样就完全限制住了X/Y/Z 向6 个自由度。

设计好前门内板的基准之后，零件在检具上的摆放如图2所示，按照立放、平放2 种采用比较多的摆放方案，来比较受到的静力差异。

图2 零件在检具上平放与立放

2 建立有限元模型

2.1 NX_Nastran 简介

NX_Nastran 是由西门子公司研发的高级计算机辅助工具，全球众多的机械厂商都采用该工具进行设计与优化。NX_Nastran分析设计包含应力、位移、振动、波动、温度和磁场等方面[3]。该工具进行网格划分、添加载荷、定义材料及定义约束等，能够制定特殊有限元分析模型，支持通用工程仿真[4]。

2.2 前门内板3D 模型创建

先创建前门内板的3D 模型，基准坐标轴和A1～A4 基准点如图3所示。坐标轴上下为Z 轴，前后为X 轴，左右为Y 轴，按照GD&T 图纸在3D 数模上选取4 个基准点。

图3 前门内板3D 模型

将创建好的前门内板3D 数模用stp 格式导出来，注意要把整个部件包括点都选中，否则会缺失基准点。

2.3 创建前门内板有限元模型

将刚导出stp 格式的前门内板数据导入到NX_Nastran 软件，对整个几何模型采集中面，然后采用精度较高的多面体单元把中面划分网格，设置多面体单元大小为8 mm 进行网格划分，经过软件计算后划分的网格单元数目为17 110 个。在处理完后可能会有极少数由于3D 模型数据问题显示为红色的不闭合的网格单元，我们需要把这些不合格的网格单元删除，最终有限元模型如图4所示[5]。

图4 前门内板的有限元模型

3 前门内板的静力分析求解

3.1 前门内板结构特点分析

从前门内板的3D 数模可以看出，前门内板是由板材经过模具拉延、冲孔等冲压工艺加工而成。整体料厚均匀，结构平整，重心位置居中，受力也比较均匀。

3.2 前门内板板材的力学性能

该车型前门内板采用的板材来自宝钢，牌号为DC56D+Z 的超深冲热镀锌板。该板材具有良好的焊接性、涂着性、耐热性和耐腐蚀性，其力学性能如图5所示。

图5 前门内板板材的力学性能

3.3 建立解算方案（solution）

3.3.1 添加约束条件

我们按照产品GD&T 图纸上的基准信息对有限元模型添加自定义约束（图6）。

图6 添加有限元模型约束

3.3.2 添加载荷

按照平放及立放2 种方案可以看出，这两种方案静力（即重力）对零件的影响是不一样的。平放的静力载荷是-Y 向，立放的静力载荷是-Z 向，因此我们按照这2 种方向建立2 个解算方案1和2，指定矢量分别为-Y 和-Z（图7）。

图7 添加两种方案的静力载荷

3.4 方案求解

我们把约束条件和重力载荷添加到有限元模型的解算方案之后，对2 个方案进行求解。

当静力方向为-Y 向时，即前门内板为平放在检具上的状态，中间偏上区域由于静力影响偏差达到了0.3 mm，结果较差（图8）。

图8 静力方向为-Y 的方案1 求解结果

当静力方向为-Z 向时，即前门内板为立放在检具上的状态，零件整体变形情况非常少，只有中间下部的法兰边有一点变形但是不超过0.1 mm，结果较好（图9）。

图9 静力方向为-Z 的方案2 求解结果

4 前门内板的基准优化

从2 种求解结果可以看出来，把零件平放的方案1 在中间偏上区域存在0.3 mm 的变形，零件立放的方案2 相比方案1 整体变形非常少，因此我们需要对方案1 进行优化。优化方案为：在中间偏上区域增加1 个基准点A5 作为解算方案3，然后对方案3 进行求解，求解结果如图10所示。可以看出，增加了A5基准点的方案3 相比方案1，大面的变形量已经从0.3 mm 改善至0.1 mm，改善较大。

图10 方案1 优化后的求解结果

从这3 种方案可以看出，方案1 变形较大，不予采纳。我们可以采用方案2 或者方案3，这2 种方案的变形量都在要求范围内。

5 结束语

本文利用NX_Nastran 软件，以某车型前门内板为例通过有限元解算器进行静力分析，分析了基准点的布置、零件的摆放方式选择。为保证零件的变形量，对超差的基准方案进行优化，结果表明优化后的方案变形达到了我们的设计要求。