10.16638/jki.1671-7988.2017.10.038
基于Catia的汽车尾灯焊接风险有限元分析
成波
（湖北法雷奥车灯研发中心有限公司，湖北武汉430056）
摘要：运用Catia对汽车尾灯进行建模，并应用Catia 中的GPS功能，建立其有限元分析模型，通过对尾灯焊接及安装部位做有限元分析模拟，从理论上提供依据，确保尾灯的焊接工艺设计，能满足焊接后焊接面不失效，不引起气密性和水密性的问题。
关键词：CATIA；尾灯；焊接；风险；GPS
中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)10-115-02
Based on Catia car taillight welding finite element analysis of risk
Cheng Bo
( Valeo lighting system China Technical center, Hubei Wuhan 430056）
Abstract: Using Catia to modeling of car tail lights, and application of the GPS function of Catia, the finite element analysis model is established, based on the tail light welding and installation site do finite element analysis, simulation, provides the basis in theory, to ensure that the tail light welding process design, can satisfy the welding welding surface after failure, does not cause the problem of air tightness and water tightness.
Keywords: CATIA; Tail lights; Welding; Risk; GPS
CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-115-02
引言
热板焊，震动摩擦焊是目前尾灯设计中常用的几种焊接工艺。这几种焊接工艺的优点是焊接效率高，能够用于大批量生产。目前的大部分尾灯项目，均使用热板或震动摩擦焊来做最后的总成安装
1、焊接的失效形式及对策
焊接的失效模式多为气密或水密测试不通过。究其原因，一般为焊接面焊接不牢或焊接面开裂造成。根
据此原因的深入分析，焊接的质量与焊接工艺参数的调整有着密不可分的关系。除了焊接工艺，产品焊接面上所受应力的状况，亦会影响测试结果。
2、焊接风险探测的有限元分析
2.1 尾灯的几何模型建立
图1 尾灯3D模型
车灯产品设计，多采用CA TIA作为设计软件。CATIA
汽车尾灯
作者简介：成波(1973-)，女，本科，职称：初级，就职于湖北法雷奥车灯技术中心有限公司。研究方向：汽车车灯。
成波：基于Catia的汽车尾灯焊接风险有限元分析116 2017年第10期
本身有着强大的建模及有限元分析功能。故本文采用CA TIA 建立车灯3D模型，如图1所示。因在实际生产中，有一款标致尾灯，出现焊接失效，故本文借用此尾灯，作为本文分析的实例。
2.2 零件材料属性，安装状态下的受力和划分网格
2.2.1 零件受力及材料属性
因尾灯产品的耐热性能的要求，尾灯产品的材料，透镜一般为PMMA，灯壳材料一般为ABS或ABS/PC。
尾灯安装到车身上，安装螺丝的安装力矩多为客户指定。
本分析以客户螺丝材料为不锈钢，M6螺丝，安装力矩为2Nm，安装摩擦系数0.2，螺距1mm为例。根据计算可得，螺丝的螺钉张力为1423N。
尾灯与车身结合处，用EPDM垫圈密封，EPDM垫片压缩量为50%时的压强为0.16Mpa, 垫片接触面积5.5cm2，垫片所受力为550X0.16=88N。
2.2.2 划分网格
确定有限元单元类型对有限元分析来说，非常重要，单元类型的选择不仅仅影响到网格的合理划分，而且关键是对求解的精度影响很大[1]。考虑到车灯设计的复杂程度、精度要求以及计算求解时间等实际因素，透镜和灯壳的网格尺寸为2mm比较合理。为对焊接面处精确计算，焊接面和车灯定位处的网格尺寸处理为1mm。
2.3 边界条件的设定
螺钉固定处，设置为刚性连接，EPDM垫片处设置为分布力81N。焊接面处设置为一般连接。车身定位系统为3X, 2Y, 1Z，对应设置定位点的位移约束。[2]
2.4 求解及后处理
有限元模型的求解不是目的，求解得出的数学模型的计算结果才是所关心的。CATIA自带GPS功能对车灯进行静态分析，对求解结果进行后处理。
透镜的最大应力为37.7Mpa小于PMMA材料的屈服应力70Mpa，满足设计要求。灯壳有一处的应力为50Mpa大于ABS材料的屈服应力48Mpa, 故此处不满足设计要求，也是零件失效处。
透镜与灯壳焊接处，应力最大处为25Mpa，小于灯壳材料屈服应力48Mpa。
灯壳失效处与实际产品失效处一致，仿真结果能够模拟出实际产品的失效状况。
但透镜与灯壳焊接面处的模拟结果，与实际焊接面实测结果虽然一致，但仍然出现失效。在生产线上多次调整工艺参数，仍旧无法解决失效问题。因此，排除焊接工艺的因素，我们考虑，可能是焊接应力的所致。因此，为了寻到能帮助我们探测焊接风险的方法与判定标准，我们使用标致这款尾灯，与两款焊接正常的尾灯的实测应力做对比。
标致尾灯的实测结果与模拟结果，除透镜有偏差外，其他均一致。因此，可以推断，焊接面处的应力失效判定标准，不能用材料的屈服应力极限作为判定标准，对比三款车灯，其他两款焊接良好的车灯，焊接面处的压力均小于3Mpa，远远小于出问题的标致车灯。我们探测到，因标致车灯与车身的连接不够强，导致车灯上有应力集中处超过材料的屈服应力的情况，因焊接面与车身的间隙面差处最接近，因此，
产品透镜与灯壳连接处有可能受车身牵制影响，撕拉焊接面。因此导致应力值比较大。实测此时的透镜与灯壳焊接处的最大压力，最小为10Mpa。因此，我们把判定焊接质量是否能通过的透镜与灯壳的焊接面的最大压力，均定义为小于10Mpa。
3、结论
（1）应用CA TIA软件建立了汽车尾灯的3D模型，并进行了结构静应力分析，得到了给定参数下设置下的尾灯变形图与应力云图。
（2）透镜所受应力小于材料的屈服极限，满足产品设计。
（3）灯壳所受应力有一处大于材料屈服极限，不满足产品设计，需要在此处加加强筋对灯壳加强。
（4）透镜与灯壳焊接处所受应力均小于透镜与灯壳的材料屈服极限，结合实际生产产品的多个对比，设定透镜与灯壳判定可靠性标准为，透镜与灯壳焊接面处最大应力小于10Mpa。
参考文献
[1] 李明志，盛选禹.CA TIA有限元划分网格教程.[M]北京：机械工业
出版社,2009.
[2] 盛选禹.CA TIA有限元分析命令详解与实例.[M] 北京：机械工业
出版社, 2005.
[3] 尚福林.塑性力学基础.[M] 陕西：西安交通大学出版社.2011.