毕业设计-车门CATIA建模及有限元分析.doc

1、本科毕业设计微型车中门内板设计陶冶燕 山 大 学2010年 6月 本科毕业设计微型车中门内板设计学院(系)：车辆与能源学院 专 业： 车辆工程 学生 姓名： 陶 冶 学 号： 060105020025 指导 教师： 梁 晨 答辩 日期： 2010.6.24 燕山大学毕业设计任务书学院：车辆与能源学院 系级教学单位：车辆与交通系 学号060105020025学生姓名陶冶专 业班 级06车辆2班题目题目名称微型车中门内板设计题目性质1.理工类：工程设计 ( )；工程技术实验研究型( )；理论研究型( )；计算机软件型( )；综合型( )2.管理类( )；3.外语类( )；4.艺术类( )题目类型1

2、.毕业设计( ) 2.论文( )题目来源科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ) 主要内容1.中门内板及加强板3D建模；2.中门有限元建模,刚度分析；3.设计内板与加强板装焊工艺。基本要求中门内板及加强板3D建模；中门有限元建模及刚度分析；分析装焊工艺参考资料1. 汽车工程手册.北京:人民交通出版社,20012. 刘惟信主编.汽车设计.北京:清华大学出版社,20013. 吴亚良主编.现代轿车车身设计.上海:上海科学技术出版社,19994. 郭竹亭主编.汽车车身设计.吉林:吉林科学技术出版社,19925. 车身制造工艺学6. 冲压工艺手册周 次第14周第58周第910周第1415周第16周应

3、完成的内容调查研究，收集资料，翻译外文资料，撰写开题报告；内板3D建模中门有限元建模；刚度分析装焊工艺分析撰写论文准备答辩指导教师：梁晨职称： 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要性能上，车门质量影响车辆侧撞安全性、风噪声、防水性、车门启闭轻便性以及车辆外观等性能，车门设计质量直接影响到整车性能；结构上，车门是由具有复杂空间曲面形状的内板、外板以及起局部加强作用的加强板通过冲压和点焊组合而成的空间薄壁板壳结构。车门设计是整个车身设计中结构复杂但又相对独立的一个环节。本文在学习和分析车门设计中的设计规则和经验知识的基础上，在CATIA中建立了车门内板及内腰加强板的三维模型；并运用有限元分

4、析软件HyperWorks对车门进行了扭转工况和挤压工况下的刚度分析，分析结果车门的扭转刚度和挤压刚度均符合公司要求；从焊点布置、焊接接头形式的选择、装焊夹具的选择和装焊质量控制等方面分析了车门的装焊工艺。关键词车门；建模；有限元分析；装焊工艺 燕山大学本科生毕业设计(论文)AbstractThe quality of the door affects vehicle side impact safety、wind noise、protection against ingress of water、the resistance during the whole process of door

5、opening and closing、the appearance of the car directly. The design quality of the door affects the whole performance of a car directly. The door is manufactured by stamping and spot welding. It is a plate and shell structure constituted of an inner door panel, an outer door panel and many reinforcem

6、ent plates which can strengthen the door in local. Door design is a complex and relatively independent part in body design processUse CATIA to get the models of the inner door panel and a reinforcement plate, based on the study of the design rules and experience knowledge of the door design. Then th

7、e stiffness analysis of torsional case and extrusional case is carried out using OptiStruct. Torsional stiffness and extrusional stiffness of the door both can meet the requirement of the company. The assembly welding technology is analyzed from welding spots arrangement, type of welding joint, asse

8、mbly welding clamp and welding quality control.KeywordsDoor; Modeling; FEM; Assembly welding technologyII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究意义11.3 本文研究内容2第2章 中门内板及加强板3D建模32.1 建模软件简介32.1.1 创成式外形设计模块功能简介42.1.2 钣金件设计模块功能简介42.1.3 零部件设计模块功能简介42.2 三维参数化建模42.2.1 三维参数化建模的特点52.2.2 三维参数化建模的实现方法52.3 全局观在

9、基本建模中的技巧体现72.3.1 全局建模中特征树的规范化72.3.2 全局中材料去除/添加特征的顺序82.3.3 全局中倒角等特征的放置顺序82.3.4 全局中轴建模方法的选择82.4 外形修正及分析82.4.1 斑马线分析92.4.2 光照分析92.4.3 对称检查92.5 中门内板及加强版三维建模的步骤与方法102.5.1 中门内板建模102.5.2 内腰加强板建模172.6 本章小结17第3章 中门有限元建模及刚度分析183.1 有限元分析方法介绍183.2 软件介绍183.3 具体分析过程193.3.1 车门基本参数193.3.2 有限元模型的创建213.3.3 刚度分析结果283.

10、4 本章小结30第4章 装配与焊接工艺分析314.1 焊接结构公艺性314.1.1 结构材料的选择314.1.2 焊接接头的形式314.1.3 焊接接头的厚度324.1.4 焊点的布置324.1.5 结构的开敞性324.1.6 结构的分解装配334.1.7 互换性的难易程度和精度要求334.2 车身装焊的结构特点334.3 车身装焊方法及其选择344.3.1 电阻点焊原理及工艺344.3.1 装配方案及原则的确定384.3.2 装焊过程和装焊图表384.3.3 装焊工艺规程的典型工序384.3.4 车身的装焊工艺384.4 车身装焊夹具394.4.1 合件、分总成装焊夹具394.4.2 车身总

11、成装焊夹具394.5 车身装焊的质量控制404.6 中门内板及加强板的装焊工艺404.6.1 中门内板与加强板的结构关系404.6.2 焊接工艺参数的的选择404.7 本章小节41结论42参考文献43致谢45附录146附录249附录352附录460V第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景现在汽车正朝着低能耗、低排放、低成本方向发展。车身作为汽车的四大总成之一，涉及面广，且材料种类多。目前，制造业已经经历了以价格、质量为主导因素的竞争时期，研发速度逐渐成为当代企业赢得全球竞争的第一要素。时间因素被提到了首要位置，产品的快速创新设计开发能力已经成为决定企业兴衰的重要因素。现代制造企业已充分应用

12、成形仿真分析，降低新产品开发成本、提高制造精度、缩短设计周期。微型车车身组成零件繁多且结构复杂，其工作载荷包括驱动、制动、转弯等惯性力和各种路面反力及作用于不同位置的发动机总成载荷。车身刚度不合理，将直接影响车身结构的可靠性、安全性，冲击、振动与噪声性能，以及燃油经济性等关键性指标。其中，车门刚度不足，会引起车门边角处的变形量过大，引起车门卡死，关闭力增大等。另外，汽车侧面是车体中强度较薄弱的部位，一旦受到来自侧面的撞击，没有足够空间发生结构变形以吸收碰撞能量。汽车发生侧面撞击时，撞击力直接作用于车门，车门结构和强度将直接影响汽车B柱和车门本身的侵入量、侵入速度和变形程度。这些因素将直接影响内

13、部乘员安全情况。因此，车门是发生侧面碰撞时保证乘员安全的关键部件。在车辆侧面碰撞法规中对侧门强度也有着十分明确的要求。同时，车门还直接关系到乘员操作与上下车的方便性和空气动力特性等。因此，车门的设计变得越来越重要。1.2 课题研究意义车身设计在汽车设计中，占有极其重要的位置。在各大总成中，除发动机外，车身设计工作量最大，最复杂，周期最长。在新车型的开发和改型设计中，发动机和底盘各总成，一般是采用现成总成加以改进，而车身必须重新设计。因而可以说，在汽车设计中车身设计工作量最大。而且车身设计又是决定车型开发成败的关键因素之一，因此，汽车制造公司都是非常重视车身设计，不断扩大车身设计队伍，增加资金投

14、入，充分应用先进的设计技术与手段，改进车身设计方法。1.3 本文研究内容本文首先利用三维造型软件中的逆向模块构造出中门内板最终的几何三维模型。其次选择适当的网格单元对几何模型进行离散化，以获得有限元网格模型；以合理的方式获得仿真分析中准确的材料参数、摩擦润滑参数、工艺条件和各种约束条件等，建立一个可直接用于仿真计算的完整有限元模型，并对其进行刚度分析。最后对内板与加强板进行装配，绘制装配工程图，并进行装焊工艺分析。1 第2章 中门内板及加强板3D建模 第2章 中门内板及加强板3D建模2.1 建模软件简介建模是计算机辅助造型设计的前期阶段，也是整个造型过程的重点。从产品造型构思到建模思想的形成到

15、用计算机软件实现产品的造型是一个连贯而又非常重要的过程，造型软件是计算机辅助产品造型设计的核心，也是造型师利用计算机进行产品设计的最基本的要求，重构曲面的品质客观上取决于所选用的造型软件的功能，因此，选用一种合适的建模软件就十分重要。CATIA全名Computer graphics Aided Three dimensional Interactive Application(计算机图形辅助三维交互式应用)，由法国DASSAULT SYSTEMES(达索)公司开发，后Dassault被美国的IBM公司收购。该软件是一套集成的应用软件包，内容覆盖了产品设计的各个方面：计算机辅助设计(CAD)、计

16、算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)，它具有完善的参数化设计环境，非常强大的曲面造型功能、先进的混合建模技术，可为用户提供从概念设计、风格设计、详细设计、工程分析、设备及系统工程、制造及应用软件开发等面向过程的设计思想及解决方案。既提供了支持各种类型的协同产品设计的必要功能，也可以进行无缝集成完全支持“端到端”的企业流程解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。在机械、航空、汽车、造船和电子等行业获得了广泛应用，国内飞机及汽车行业中很多企业都在使用CAT

17、IA 软件V5版本。CATIA V5具有卓越的知识智能、机械产品设计、有限元分析、NC编程、数字化虚拟样机等强大的功能模块，为许多用户所青睐。CATIA V5的知识智能模块较好地解决了长期困扰各行业的知识重用和保留的重要问题。它通过可视化的特征树及各种可视工具，使得三维参数化建模更加简单易学。目前通用的CAD/CAM软件大多数具有参数化建模的功能，但是有些需要通过与软件的接口编程来实现，要求开发人员具有较高的编程水平；有些则不能进行可视化的操作，需要设计人员熟练掌握软件的有关命令和操作。CATIA V5的可视化工具能使设计人员在可视化的环境下，高速高效地完成三维建模工作。CATIA不仅强大而且

18、功能性强，能够覆盖全部产品开发流程。CATIA以一体化的方式支持产品工程设计，从初始规范直至产品的运行。它利于产品设计知识的重用，缩短开发周期，提高企业回应市场需求的反应速度。本造型工作主要用到了CATIA V5 软件包的创程式外形设计模块(GSDGenerative Shape Design)，钣金件设计模块(SD. Sheelmetal Design)和零部件设计(PD. Part Design)模块。2.1.1 创成式外形设计模块功能简介创成式外形设计是非常完整的曲线操作工具和最基础的曲面构造工具，除了可以完成所以曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸

19、点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到G2，生成封闭片体Volume，完全达到普通三维CAD软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作，用户控制包括位置公差，曲面细分行修改程度等一些关键性的“承前启后”参数。它可根据基础线架与多个曲面特征组合，设计满足要求的复杂的车身表面。2.1.2 钣金件设计模块功能简介CATIA钣金件设计模块式设计和制造工程师可以定义，管理并分析基于实体的钣金件。采用工艺和参数化属性，设计师可以对几何元素增加材料属性这样的职能，以获取设计意图并对后续应用提供必要的信息。2.1.3 零部件设计模块功能简介零部件设计模块是机械设计模组下的一个模块，用

20、于设计零部件。2.2 三维参数化建模汽车车身是由复杂的轮廓不规则的三维曲面构成，车身造型是车型开发系统工程中最为基础的一个环节。当代汽车车身造型的显著特点之一就是利用计算机辅助几何设计，在计算机中建立三维汽车车身的模型。汽车造型设计虽然是车身设计的最初步骤，是整车设计最初阶段的一项综合构思，但却是决定产品命运的关键，它是车身CAD/CAM设计方法的一个主要工作，是为车身的有限元分析、工艺设计及模具制造提供基础。为了在工业设计师与工程师之间架起一座数字化桥梁，我们提出了基于三维造型软件的汽车外形三维重建理论。2.2.1 三维参数化建模的特点三维参数化建模与二维参数化建模相比，其主要区别在于三维模

21、型更能清晰地表达实物，其模型参数也能更好地反映实物特征参数。三维模型的空间视图可以从任意方向观看模型，比二维模型的各个平面投影视图更易于直观考察零件的结构和其间的干涉，使设计人员将工作重点放在零件结构设计及其优化方面。参数化建模一直都是CAD设计人员探索的问题，其关键是如何用实物的特征参数来自动控制和生成实物三维模型，而且特征参数发生改变能够自动地反映到三维模型中。这一技术不仅给机械产品中的标准件、常用件和系列化产品的设计带来极大的便利，而且它也是近来提出的“大量定制”MC生产方式中敏捷设计的一项基础技术。“大量定制”是现代化制造业的发展趋势，它要求产品不仅能满足正常的功能，而且还要能融入不同

22、客户所需的个性化特征。这种个性化的特征可以用参数的形式表达出来，在客户需要时及时反映到零部件中去，并能指导生产。总之，三维参数化建模技术是一项基础性的工作，它比二维参数建模更能体现产品特征，更适应时代发展的需要。它将极大地促进机械、电子等各行业发展。2.2.2 三维参数化建模的实现方法参数化建模的关键在于用参数、公式、表格、特征等驱动图形以达到改变图形的目的，在CATIA V5中可通过如下的方法来实现。2.2.2.1 利用系统参数与尺寸约束驱动图形 CATIA V5具有完善的系统参数自动提取功能，它能在草图设计时，将设计人员输入的尺寸约束作为特征参数保存起来，并且在此后的设计中可视化地对它进行

23、修改，从而达到最直接的参数驱动建模的目的。用系统参数驱动图形的关键于如何将从实物中提取的参数转化为CATIA中，用来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。CATIA V5的尺寸约束的特点是将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。设计时必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束)，不能漏注尺寸(欠约束)，不能多注尺寸(过约束)。尺寸驱动是在二维草图Sketcher空间下实现的。草图中的V和H坐标轴是尺寸约束中的参照基准，只有草图中的图形相对于V，H 轴的所有位置关系都确定后，该图形才能完全约束(无过约束也不欠约束)。图形完全约束后，其尺寸

24、和位置关系才能协同变化，系统会直接将尺寸约束转化为系统参数。草图修改可通过编辑系统参数直接驱动几何形状的改变，为三维参数驱动提供基础。例如在草图工作界面中画一个圆，并且标注其直径尺寸，此后在草图中用鼠标双击标注，弹出尺寸编辑对话框就能修改尺寸大小。总之，三维参数化建模的好坏很大程度上取决于二维图形中的尺寸约束与实物参数的符合程度。只有抓住CATIA建模特点并采取合理的二维和三维建模方法，才能建立理想的模型。2.2.2.2 利用用户参数和公式驱动图形 CATIA V5不仅具有系统定义的参数，而且还有用户自定义参数。设计人员通过用户自定义参数和公式的工具，可以很方便地定制出客户所要的各种各样的参数

25、以及约束这些参数的公式。CATIA V5中有几何参数(如：点、线、曲线、曲面等)、物理参数(如：长度、质量、速度、温度、密度等)、无量纲参数(如：整数、实数)、字符型参数及布尔型参数等40多种类型的参数可供用户自行选择。用户自定义公式是CATIA V5中联系系统参数与用户参数枢纽。用户参数定义后，设计者可针对用户参数与三维模型中对应的特征参数建立相应的公式，从而通过用户参数驱动系统参数，进而控制图形的尺寸。2.2.2.3 利用表格数据驱动图形 机械产品设计中，标准件、通用件的尺寸可通过查表获得，在CATIA V5中可应用表格驱动几何图形实现这一功能。应用表格驱动几何图形，首先应将与零件尺寸有关

26、的标准数据以表格的形式存放在相应的文件中，并建立表中数据与三维模型特征参数的联系。通过选择表中不同记录达到改变几何尺寸，获得所需零件的模型。在CATIA V5的参数化设计中，可以使用的图表有两种，一种是文本格式的图表文件，一种是Excel格式的图表文件。客户仅须将产品的特征参数制成文本型或Excel型表格，通过CATIA V5本身自带的工具Design Table对表格的各条记录进行访问，从而达到修改尺寸、改变形状的目的。2.2.2.4 利用规则与检验控制特征驱动图形 CATIA V5可通过规则和检验对三维模型的特征进行控制和检查。规则是由用户定义的在一定条件下控制某些参数、特征和事件的指令。

27、用VBScript语言可以方便地编写规则，控制参数、特征和事件。检验只是用户编写的一条简单的指令，不影响参数值。检验被执行时，它会针对图形中参数的异常变化，警示设计人员，防止不符合要求的参数破坏原有的三维模型。2.3 全局观在基本建模中的技巧体现CATIA V5基本建模技巧(Basic techniques of modeling)是基本建模方法的升华。它可以反映一个模型的诸多性质，每一个模型均是建模技巧的堆积集合。注重全局观的体现，可以使建模快捷，缩短设计周期，使模型质量提高，产品成本下降，竞争力提高。2.3.1 全局建模中特征树的规范化特征树(Specification Tree)是整个建

28、模过程中全局性的一个索引目录，也是二次开发的一个流程。如果不注意建模的次序问题和特征树的规划问题，会导致屏幕上的特征树较乱，各种实体特征如凸台、凹槽、旋转体、旋转槽及孔和参考的几何元素(Reference Elements)点、线、面杂乱地罗列其上，在修改扩展和管理时会显得麻烦。在插人菜单中可以使用命令插入新的几何体(Body)与几何图形集(Open Body)，然后对这些新集重命名，使其清晰可辨，最后再集中创建各种各样的实体特征和辅助的几何元素，将有关联的归集在一起，方便辨认修改。特征树中默认的“零件”在参与布尔运算(Boolean Operations)时有一定限制，在使用布尔运算成形零件

29、时，较好的方法是不要在“零件”中建立任何特征，而将特征建立在其他“几何体”中，最后将其总成到已经重命名为“零件”的零/部件几何体中。这样便从全局上规范了模型，提高了模型品质，使模型结构清晰明了。2.3.2 全局中材料去除/添加特征的顺序材料去除特征有孔特征(Hole)，凹槽特征(Pocket)等，材料添加特征有凸台特征(Pad)，旋转体特征(Shaft)等。在设计建模过程的前期，就应该立足全局，注意不同性质特征的先后顺序问题，将材料去除特征靠后添加就更好，可提高效率、减少失误，方便维护。2.3.3 全局中倒角等特征的放置顺序倒角(Fillet)是零件中一种修饰特征，分为倒圆角和倒角，由于倒角是一种依附于实体的特征，在其操作中就会有一些限制。因此在立足全局使用倒角时有一定的技巧。如果在仅完成部分实体建模之后就添加倒角，在设计后期要对加有倒角的实体进行操作时就会出现一些意想不到的问题，所以应注重设计的全局结构，将倒角特征放在最后。2.3.4 全局中轴建模方法的选择创建轴的方法有很多种，其中最为常用的是旋转成形(Shaft)和拉伸成形(Pad)，这两种方法各有特点，如果在平时的设计工作中不注意立足全局来比较选用