刘 炜，李 广，黄春笋，张海峰，曾耀华

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，重庆 401120）

0 引言

包边机是完成汽车覆盖件包边工艺不可缺少的设备，主要有压力机+包边机、台式包边机、和机器人滚边等3种形式[1]，台式包边机主要由机械本体、电气系统和液压系统3部分构成[2]，具有生产效率高、价格便宜的优点，在国内汽车制造厂得到广泛应用。由于采用液压驱动，机构受力较大，包边机长期使用后容易疲劳，机械部分如压臂或基座经常出现断裂的情况，难以修复，造成较长时间停线，断裂部位如图1和图2所示。

有限元分析是目前机械设计中广泛应用的先进设计方法之一，在当前主流的FEA软件都可以对各种载荷状态下受力结构件的应力、应变进行分析[3]。UG软件所提供的高级仿真模块是一个集成化、全相关、直观易用的CAE工具，可对UG零件和装配进行快速的有限元前处理、求解和后处理，且功能强大、操作简单易用[4-6]。

目前，利用UG高级仿真模块进行结构件有限元分析主要应用在对单个零件的分析，但对多零件装配体的有限元分析鲜有介绍[7-10]。以台式包边机主压机构为例，具体介绍利用UG NX 8.0进行包边机主压机构有限元分析的方法和步骤，为后续包边机主压机构改进及结构优化提供参考，同时也为其他多零件装配体利用UG进行有限元分析提供方法借鉴。

图1 基座断裂

图2 压臂断裂

1 创建主压机构装配模型

台式包边机主压机构主要由基座、压臂、刀架、连杆等组成，由油缸驱动压臂带动刀架运动，实现包边的动作。整个机构为连杆机构与摇杆滑块机构的组合，基座与刀架和连杆为四连杆的平行四边形机构[11]，油缸与压臂可看作摇杆滑块机构，这2个机构通过压臂与刀架铰接在一起构成了整个主压机构。利用UG建模功能，根据设计要求与分析简化原则，建立包边机主压机构各个零部件模型，完成各部件三维模型后根据主压机构的装配结构及运动关系，在UG的装配模式下，完成台式包边机主压机构的装配，如图3所示。

图3 台式包边机主压机构装配模型

2 创建有限元模型

2.1 有限元模型处理

创建好图3所示主压机构装配模型后，点击“开始”下拉菜单中的“高级仿真”进入高级仿真模块，在仿真导航器中选择组件，右击模型名称选择“新建FEM”，弹出“新建部件文件”对话框，选中“NX Nastran”选项，名称和路径可以设为默认或自己设定，单击“确定”弹出“新建FEM”对话框，按照默认设置，再次点击“确认”，UG进入有限元模型环境。

进入有限元模型环境后需要依次进行指派材料、添加物理属性及创建网格收集器的操作，具体方法可参考UG有限元分析相关教程[12-13]，不再赘述。

通过查询包边机主压机构图纸可知零件材料为Q235A，在指派材模型料时选择UG材料库提供的Steer-Rolled，添加物理属性PSOLID1时，属性中的材料也要选择“Steer-Rolled”，由于该包边机主压机构装配体共37个零件，所以需要逐一设置37个网格收集器，每个网格收集器的实体属性均需要设置为PSOLID1，如图4所示。完成上述操作后即可进行实体网格划分。

2.2 网格划分

单击高级仿真工具栏中的“3D四面体网格”，弹出3D四面体网格对话框（图5），在仿真导航器中的“多边形几何体”中选择Polygon Body（1）作为划分网格的几何体对象，在3D四面体对话框下方目标收集器取消勾选“自动创建”，选择前面创建的Solid（1）为目标收集器，点击“网格参数”中“单元大小”右侧的“自动单元大小”按钮，单元大小会自动修改为10.2 mm，最后点击“应用”按钮，即完成第一个几何体的网格划分。用同样的方法对剩余的36个几何体逐一进行网格划分。由于零件数量较多，在网格划分过程中很容易出现遗漏、选错几何体或选错目标收集器的情况，所以网格划分的过程要格外细心，否则网格划分错误会影响后续的解算结果。网格划分完成后生成有限元模型（图6）。

图4 设置网格收集器

图5 网格划分

3 创建仿真模型

3.1 新建仿真环境

右击仿真导航器中的有限元模型名称，选择“新建仿真”，在弹出的“新建部件文件”对话框中模板选择“NX Nastran”，其他各选项选择默认，单击确定弹出“新建仿真”对话框，按默认设置点击确定，弹出“解算方案”对话框，按默认设置点击确定即完成了仿真环境的创建。

3.2 添加约束及载荷

图6 有限元模型

根据包边机主压机构工作时的实际情况，在压刀与钣金压紧时基座底面、限位块上下面及刀架与压刀接触的面均处于固定状态，所以对基座、限位块及刀架相应约束面设置为固定约束，以实现对这些零件6个自由度的限制。在该包边机主压机构中存在较多销轴，考虑到机构运行过程中各销轴不能有轴向移动，需要对存在轴向移动自由度的零件创建用户自定义约束，以此来限制这些零件无轴向移动。若销轴无轴向约束，则在其分析结果会出现结构件沿轴向滑动的情况，这是多零部件装配体进行有限元分析的关键问题之一。该主压机构零件很多，共计创建了3个固定约束及31个用户自定义约束（图7）。

在仿真导航器的“多边形几何体”及“3D收集器”中分别隐藏油缸缸筒部分，使油缸活塞受力面方便被选中，在工具栏“选择载荷”下拉列表中选择“压力”弹出“压力”对话框，如图8所示，点击“选择对象”，选择油缸活塞下端面为受力面，包边机主压压力10 MPa，在幅值设置里选择单位为N/mm2（MPa），并设置幅值为10，即完成活塞下端面所受载荷，如图8箭头所示。同理可设置油缸缸筒内侧底面的载荷也为10 MPa。整个包边机主压机构仅由油缸驱动，故装配体所受载荷仅为液压作用在油缸活塞下端面及缸筒内部底面的2个压力。

3.3 创建面对面接触

面对面接触作为一种连接方式在机械产品中非常常见，UG高级仿真中“SESTATIC 101-单约束”解算模块提供的线弹性Surface-to-Surface Contact命令可以用来定义2个面之间的接触[14]。

图7 创建约束

图8 添加载荷

在工具栏“仿真对象类型”下拉列表中选择“面对面接触”，弹出“面对面接触”对话框，“类型”选择“自动配对”，点击“创建自动面对”右侧的“创建面对”图标弹出“Creat Automatic Face Pairs（创建自动面对）”对话框，“属性”中“分组选项”设置“按体对”，“距离公差”设置0.2 mm，点击“确定”按钮即开始自动进行面对面匹配，完成匹配后返回“面对面接触”对话框，再次点击“确定”按钮完成面对面接触的创建。由于本例中相互接触的零件较多，共计创建了46个面对面接触对象，如图9所示，图中箭头即表示所创建的面对面接触。

4 分析求解与后处理

4.1 解算方案求解

右击仿真导航器中“Soloton 1”，选择“求解”弹出“求解”对话框，所有设置按照默认设置，直接单击确定按钮即进入求解过程，求解时会出现“分析作业监视器”和“解算监视器”两个窗口，由于模型零件较多，结构复杂，存在较多面对面接触及较多约束，解算过程约持续20 min。解算完成后分析作业监视器窗口会出现“Completed”的提示，同时在仿真导航器下方会出现“Result”节点。

图9 面对面接触

4.2 解算结果查看

双击“Result”节点，界面跳转至后处理导航器，在后处理导航器中可以查看整个机构的应变、应力分析等仿真结果。图10为整个装配结构的位移仿真结果。单击工具栏中的“播放”图标可以更清晰的观察整个机构变形的具体变化过程。

在包边主压机构中我们只需要关注基座、压臂等关键部件的受力情况，UG结果后处理中可以隐藏其他非关键单元，单独查看关键部件的分析结果。展开后处理导航器中“云图绘图”节点下“Post View 3”节点下的“3D单元”，取消勾选其他非关键单元，仅选择需要查看的单元，即可单独查看该关键单元。图11～图14分别为基座及压臂的应变云图及应力云图。

通过仿真结果可知，包边机主压机构基座最大应变及应力处均在通过销轴与压臂连接的销孔处，压臂最大应变处在通过长轴与油缸活塞杆接头连接的轴孔处，压臂最大应力处在通过销轴与基座连接的销孔处，这些部位是基座与压臂这2个关键部件的薄弱部位，长期使用后有疲劳断裂的风险，通过对比图1、图2中基座及压臂出现断裂的部位，可以发现在生产实际中断裂部位与分析结果相符，验证了分析结果的正确性。

通过分析结果可以指导维修人员在对包边机进行预防性维修时需重点关注基座及压臂的薄弱部位，一旦发现这些部位有轻微裂纹时能够及时对裂纹部位进行焊接修复，避免重大故障的发生。

图10 机构整体应变位移云图

图11 基座应变云图

图12 基座应力云图

5 结论

（1）探讨了利用UG高级仿真模块进行台式包边机主压机构有限元分析方法，为其他多零部件装配体的结构分析及优化设计提供参考。

（2）得出了包边机主压机构整个装配体及基座、压臂等部件的应变、应力云图，分析结果与实际情况相符，验证了分析的准确性，为后续包边机主压机构改进及结构优化提供了理论依据。

（3）确认了基座、压臂等关键部件的应力集中点，维修人员将这些部位作为PM重点检查区域，能够及时发现裂纹并进行焊接修复，避免重大故障发生。

图13 压臂应变云图

图14 压臂应力云图