功平衡法薄板件装配偏差传递机理研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

金属卞零件广泛应用于汽车车身之中，但由于卞件在焊接装配过程中易于变形，刚体装配偏差分析模型已不能精确分析装配尺寸质量l1。因此 Hu，Hsieh等引人有限元工具分析装配前后的偏差关系，从而建立柔性装配偏差分析模型，其中应用最广的为影响系数法t2-31。文献 基于影响系数方法建立多工位装配偏差分析模型。由于零件焊接时不能相互穿透 ，文献 在影响系数法的基础上提出考虑零件间接触模型的柔性卞零件装配偏差分析方法。文献P对于柔性卞零件提出了基于小波分析的装配偏差分析模型。为了减少卞零件在最大平面上的变形，文献嘲提出了更能适应卞零件的N-2-1”夹具定位策略。经研究，夹具偏差对装配偏差的影响较零件偏差更大，文献l9l研究了夹具偏差和位置对装配偏差的影响。文献 应用影响系数方法分析了不同工位偏差传递过程，建立了N-2-1”和3-2-1”两种夹具定位规则下的装配前后偏差之间的线性关系；根据装配后夹具定位点的释放模式的不同，建立了过定位释放和完全释放两种模式下的装配偏差分析模型。然而影响系数方法在分析装配偏差的过程中，仅仅通过装配前后的刚度矩阵建立零件偏差和装配偏差之间的敏感系数矩阵，在实例研究中并不能完全拟合装配前后的偏差关系。应用 ABAQUS有限元软件分析柔性卞零件装配过程，经分析影响系数方法并不能正确反映零件偏差与装配偏差之间的关系，提出-种基于做功平衡理论的装配偏差分析模型，在理论分析的基础上，建立零件偏差和装配偏差之间的敏感系数矩阵。

2卞零件装配过程分析文献 将有限元分析和统计分析相结合，提出了力学偏差仿真模型，建立了装配偏差与零件偏差的线性关系：首先假定卞件的变形在线性弹生范围内；装配卞的材料相同；夹具和焊枪是钢性的；在焊接过程中没有出现热变形；物体的刚度矩阵在变形中保持不变。然后卞件的焊接装配过程可分为四步，如图1所示。1零件被定位到夹具上，如图la所示；2零件被夹持到名义位置，如图1b所示；3焊接卞零件为装配体，如图1c所示；4释放焊枪，如图 1d所示。其中卞件装配过程的四个步骤可以被仿真为两个主要的过程。首先就是零件的定位：零件被加载和定位到相来稿日期：2012-l l-l4基金项目：国家自然基金项目51105241作者简介：卢 鑫，t986-，男，河南郑州人，硕士研究生，主要研究方向：卞零件装配偏差分析；邢彦锋，1978-，男，山东聊城人，副教授，工学博士，硕士生导师，主要研究方向：车身轻量化第9期 卢 鑫等：功平衡法卞件装配偏差传递机理研究 185应的位置。其次就是焊接和回弹：零件被焊接在-起然后释放焊枪装配回弹。两个过程将影响零件的装配偏差。根据装配前后的力相同建立零件偏差和装配偏差之间的关系，如公式 1所示。

- -1VK l K2 s 。s2 1式中： -回弹后零件的节点位移；V 零件偏差； ，K 两零件的刚度矩阵； -装配体刚度矩阵；s。-装配偏差相对与零件 1敏感系数矩阵；S厂毖配偏差相对与零件 2的敏感系数矩阵。

d图 1柔性卞零件装配过程Fig.1 Assembly Process of Sheet Metal Components下面使用-个 2-D梁举例说明装配过程，同样的方法也可以应用于3-D梁～用 A、 两个梁分析装配前后的偏差关系。A梁和曰梁的长宽均为 100x2mm，A梁的厚度为 1mm，B梁的厚度为2mm。它们的材料相同均为 45#钢，杨氏模量E2.1e5N/m m 2
，泊松比为/a.-0.3。用实体单元划分网格，每个零件均采用1×1mm网格划分。如图2所示。

图 2 A、B梁装配案例Fig.2 Case ofA、B beam应用下面方法来模拟装配：1M 、B梁的定位将 A、 梁定位在相距 2mm的位置，使其完全固定 ，然后设置有限元分析步。

2设置接触关系由于A、B梁不能穿透，因此必须设置两个零件装配时的接触关系。本例中应该设置两种类型接触关系，分别为可离接触和不能分离接触。在设置不可分离接触时，需要修改 CAE模型的Key words”，在接触类型下面需要添加 Surface Behavior，noseparation”。

3施加载荷模拟焊点在load拈中，依次施加压强，由于案例所应用卞厚度较薄，因此设置压强为 0.1MPa，为了仿真卞零件的焊接过程 ，在step i中施加载荷后，需要在 stepil时释放。

4释放焊枪释放焊枪，装配体产生回弹∩以得到A梁和 B梁的回弹位移。分析结果，如图3所示。在图中可以看到，4梁向下最大变形为 1.433mm，B梁向上最大变形为 0.6179mm。A、B梁的厚度比为1：2，若按照 MC方法，在其他条件-致的情况下两个零件变形比应该为两个零件厚度立方比 l：8.。由于本案列中A梁、 梁相距2mm，因此可设为0，2之间的任意相对偏差，就设置以下偏差组合进行分析装配偏差，如表 1表示。表中零件偏差指每个零件上各焊点偏差。当根据不同的位置设置相对偏差时，它们的计算结果相差巨大，因为距 梁名义位置和曰梁的名义位置是不变的，因此距 A梁的距离和距 梁的距离也应该是不变的。但是在本案例中，装配偏差随着零件相对偏差的变化而变化，因此影响系数法并不能完全反映装配前后的偏差关系，需要建立新的柔性薄板装配偏差分析模型。

图 3 A、B装配有限元分析结果Fig.3 Result of Finite Element Analysis表 1装配偏差分析结果单位：mmTab.1 Results of Assembly VariationUnit：mm3功平衡法装配偏差分析模型通过对装配过程仿真分析，零件之间的装配不应该简化为- 个点，而应该是两个小平面之间的焊接。因此通过施加力也模拟焊枪是不正确的，应用压强施加到网格单元内仿真焊接过程。

假设两个零件焊接时焊点为正方形或者圆形，则零件焊接过程，如图 5所示。

图4零件焊接图F培4 Figure of Welding Pans通过零件焊接图，可知零件施加力和压强之间的关系为公式2所示：Fp·s 2式中：P-焊枪施加力；p-焊枪压强；s-焊点面积。

根据施功相同原则，设置两点之间为弹性连接，因此可建立如下关系式：J P- J P： ds 3 26式中： 厂-焊点距零件 1和零件 2的距离；6-未装配时零件 1和零件2之间的距离。

根据公式2和3，可得到如下关系式：f - - - 。 z 4帆 ，根据公式4，可得到零件偏差和装配偏差之间的关系，如式5和式6所示：l86 机 械 设计 与 制造No.9Sept.2013- ～ 5Sl。 ls2V2 6式中：S广 ；5厂 - 。

、/K、/K2 、/Kl、/K2根据表 1，设置零件 1和零件 2的偏差组合，分析该案例的装配偏差，如表 2所示。根据表 2所示，无论零件 1和零件 2偏差如何组合，距离零件1的距离和距离零件2的距离总是相同的。

并且数值和 ABAQUS有限元分析几乎相同，由于在 ABAQUS中无法准确得到接触处的值，因此所提出的装配偏差分析模型能够精确分析柔性卞零件装配偏差。

表 2装配偏差分析结果单位：mmTab.2 Results of Assembly VariationUnit：mm4案例验证在车身装配过程中，平板零件经常应用于连接各个复杂薄板零件，应用两 Z字型卞零件分析装配前后偏差之间的关系，如图5所示。经过有限元仿真分析，两z型零件装配后在 Y方向上的变形，如图 6所示。零件 1最大变形为2.5mm，零件 2最大变形为 0.67ram。由于零件 1的厚度小于零件 2的厚度，所以装配后焊点位置较为靠近零件 2。

图 5 Z型卞零件装配案例Fig.5 Assembly Case of Z Parts图6 Z型零件装配偏差Fig.6 Assembly variation of Z Parts根据功平衡装配偏差分析模型，首先根据有限元分析获得柔度矩阵，然后求逆计算两个零件的刚度矩阵，最后根据公式6分析装配偏差。零件 1、2的柔度矩阵分别为下式所示：r0.556 0.385 0.297 r0.0539 0.0313 0.0224 1C.10.385 0.422 0.385 l，C，：10.03l3 0.0367 0.03l3 7 。0.297 0.385 0.556 j-0
.
0224 0.03 1 3 o.0539 J由矩阵求逆分析，零件 1、2刚度矩阵为：f 5.25 -6.O6 1.39Kll6.06 13.43-6.0611-39 -6.06 5.25，K237.7 -37.2 5.95- 37.2 90.74 -37.25.95 -37.2 37.78由于本案例两个零件之间相距3mm，因此可设为0，3之间的任意偏差，就设置以下偏差组合进行分析装配偏差，如表 3所示，表中零件偏差指每个零件上各焊点偏差。根据表 3所示，无论零件 1和零件2偏差如何组合，距离零件 1的距离和距离零件 2的距离总是相同的。根据 ABAQUS分析结果，3焊点位置的误差分别为 1.47%，1.49%和 1.47%，因此所提出的装配偏差分析模型能够精确分析柔.1生卞零件装配偏差。

表 3装配偏差分析结果单位：mmTab.3 Results of Assembly VariationUnit：mm5结论提出-种基于功平衡方法的金属卞零件装配偏差分析模型，该模型在 ABAQUS仿真分析的基础上，应用功率平衡原理建立零件偏差和装配偏差之间的敏感系数矩阵。同影响系数方法相比，该装配偏差分析模型不仅能够精确反映装配后的偏差，而且能够在不同的相对偏差设置时保持其绝对位置的不变性，这在复杂的车身等装配体中有着重要的意义。然而所提出的装配偏差分析模型仅仅考虑零件偏差之间的关系，还需要进-步的分析夹具偏差对装配偏差的影响。