基于3DCS的車身薄板件基準點優化研究

羅錦耀 雷露露

【摘 要】文章以上汽通用五菱汽車股份有限公司某車型側圍外板基準點優化的尺寸偏差結果為分析對象，對車身柔性薄板件的基準定位點選取位置進行了深入的分析與探討，結合三維尺寸偏差分析虛擬軟件3DCS的柔性模塊（FEA），考慮重力、檢具擺放方式等因素對側圍外板基準選擇的影響，從而驗證基準點的正確選取對零件單件的尺寸穩健性及基準一致性的重要作用和意義。

【關鍵詞】車身薄板件;3DCS（FEA柔性偏差分析模塊）;基準一致性;穩健性

【中圖分類號】U466 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）08-0139-04

0 引言

在汽車消費市場的不斷驅動下，上汽通用五菱汽車股份有限公司（簡稱SGMW）全力推進乘用化轉型，對汽車的外觀尺寸質量控制，從宏觀的尺寸工程驅動，細分到更明確的感知質量驅動。在這一前提下，如何利用3DCS的柔性偏差分析模塊優化車身薄鈑金的基準點布置，從而確保基準一致性控制薄板件的尺寸穩健性，提高汽車外覆蓋件（薄鈑金）的尺寸質量控制，對客戶高度關注的感知質量提升具有重要的現實意義。本文以SGMW某車型側圍外板基準點優化的尺寸偏差結果為分析對象，對車身柔性薄板件的基準定位點選取位置進行了深入的分析與探討，為其他車身柔性薄板件的基準點優化提供可靠的理論參考。

1 背景介紹

傳統車身外覆蓋件零件基準點選擇存在如下問題。

（1）零件基準點的選擇參照以往項目經驗制定，沒有理論依據支撐。項目經驗多數考慮的是檢具擺放方式、焊接工裝與焊接工藝限制、零件成型形狀大小、零件重點配合區等，對零件自身形狀設計與重力的影響沒有充分考慮。

（2）零件模具供應商只有在模具出件后才會發現零件基準點需要調整，影響尺寸質量問題原因分析和延長問題整改周期。GD&T圖紙鎖定發布，模具出件后，零件上檢具，由于零件在檢具上擺放方式不一致，重力影響、零件成型問題，基準不夠完善，導致局部關鍵位置下榻或回彈，影響零件真實尺寸狀態判斷。主機廠與零件模具供應商會針對基準點選取的位置進行扯皮，影響零件尺寸整改進度，影響項目開發進度，增加整改成本。

（3）基準點后期的變更無法統一到焊接工裝設計中，無法確保基準一致性。當主機廠根據零件在檢具的基準點問題做適當調整后發現，廠內焊接工裝無法在對應位置增加工裝支撐或夾緊，無法實現基準的一致性，無法確保零件尺寸穩健性在焊接時的有效控制。

2 3DCS的柔性偏差分析模塊介紹

2.1 3DCS FEA Compliant Modeler介紹

3DCS FEA Compliant Modeler是3DCS用于精確模擬柔性零件及裝配變形的高級模塊，使得在建立3D偏差分析模型時，利用有限元方法，精確模擬柔性零部件的尺寸偏差。該模塊可以模擬生產制造中變形的情況，如夾持、焊接、松開夾持及施加外力等情況。該模塊以輸入軟件的零件的剛度矩陣為依據計算變形，剛度矩陣是通過專業的有限元軟件計算得出。

傳統的偏差分析是以零部件為“剛體”或“非變性體”，并在此基礎上建立偏差分析模型的方法，這種方法意味著每個裝配體內的零件在經歷裝配工藝過程中不會彎曲或扭曲，如焊接、夾具夾持或松開夾具夾持。雖然一些機械零部件在以上情況下不會發生變形，但是對于大部分的汽車零部件，如薄鈑金、塑料等零件會遭受制造工藝的較大影響，從而改變尺寸完整性與形狀。有限元分析是用來確定機械對象與系統的應力和位移，它是預測分析領域向前推進的基礎。

DCS的柔性偏差分析模塊假設與局限：{1}DCS模型中所用到的點必須在每個柔性模型中被創建。理論上，剛體模型是完整的。{2}每個柔性零件對應一個有限元網格和剛度矩陣文件。{3}模型中的所有點都應與有限元網格節點對應，否則會產生偏差。圖形顯示用RSM方法逼近。{4}動畫模擬的時候有限元網格是要被用到的。FEA系統數據流如圖1所示。

2.2 3DCS軟件與計算原理介紹

本文分析應用3DCS軟件，軟件采用蒙特卡羅模擬法進行公差模擬分析。蒙特卡羅算法的基本思想如下：當所求解問題是某種隨機事件出現的概率或者是某個隨機變量的期望值時，通過某種“實驗”的方法，以這種事件出現的頻率估計這一隨機事件的概率，或者得到這個隨機變量的某些數字特征，并將其作為問題的解。用蒙特卡羅算法求解公差問題，其實就是把求封閉環尺寸公差的問題轉化為求解一個隨機變量的統計問題來處理。確定封閉環尺寸公差，采用隨機模擬和統計實驗的方法求解，用這種方法得到的結果比較符合實際情況。

3 某車型側圍外板基準點三維偏差分析模型研究

本文以側圍外板作為車身薄板件代表進行3DCS FEA偏差分析舉例。整車中，側圍外板零件尺寸大，材料厚度為0.65 mm，與側圍外板匹配零件多，零件尺寸質量要求高，在車身的柔性薄板件中是典型代表。

本文的研究對象是針對基準點的優化，所以在應用3DCS FEA模型創建時，只進行零件的裝配定位、重力矩陣的載入來研究檢具基準的偏差與重力對側圍外板關鍵測點的影響。

由圖2可知，柔性薄板裝配的有限元仿真過程包括4個步驟：裝配零件有限元網格劃分、裝配仿真邊界條件施加、裝配模型計算及裝配仿真結果提取。

3.1 裝配零件有限元網格劃分

使用Hypermesh軟件對側圍外板零件進行有限元網格劃分（如圖3所示），并生成相應的.inp網格文件。

3.2 裝配仿真條件施加

（1）根據GD&T圖紙要求，將側圍的相關基準信息輸入模型（如圖4所示）。

（2）對側圍外板進行基準裝配與添加有限元數據。第一步：先進行基礎裝配（如圖5所示），挑選側圍外板上剛性最強的三角區進行基礎定位裝配。第二步：利用之前的網格文件求解剛度矩陣與重力矩陣（如圖6所示）。第三步：載入剛度矩陣與重力矩陣（如圖7所示）。

3.3 檢具基準裝配方案對比

由于側圍外板零件大、基準多，基準點夾緊的先后順序對測點結果的影響比較大，為了便于查看結果的對比性，基準的裝配采用局部分塊的裝配方案裝配。并且，僅針對項目階段問題反饋較明顯的局部位置側圍外板（尾燈配合區域）進行基準方案的對比分析。

圖8是項目初期制定的基準，基準裝配的順序：①→②→③→④。圖9是側圍外板零件模具出件后，根據需要增加了ADD點的基準，基準裝配的順序：①→②→③→④→⑤→⑥。

3.4 創建觀察測點

由于此項目對基準的增加主要是針對尾燈區域的測量數據的變化，所以觀察測點位置選定如圖10的MP15、MP16、MP17。

3.5 驗證方案測點測量結果對比

方案一：側圍后部與尾燈配合區域測點MP15～17位置超差概率稍大，測點穩健性稍差（如圖11所示，檢具基準面的公差為±0.2）。

方案二：側圍后部與尾燈配合區域測點MP15～17由于增加基準ADD后，使得測點穩健性明顯提高（如圖12所示）。

4 某車型側圍外板檢具測量結果與模型結果對比分析

項目初期采取方案一進行基準定位時，零件側圍外板（尾燈配合區域）、Y向面差偏低（見測點9S4～9S7），零件局部位置自然下沉（如圖13所示）。

側圍外板模具回廠時，模具供應商反饋側圍外板A基準定位不夠充分，導致局部部位受零件設計結構與重力影響，外板局部位置自然下沉，要求對GD&T圖紙進行基準的補充與更新。

補充增加基準ADD后，零件側圍外板（尾燈配合區域）測量結果如圖14所示，局部下沉的情況得到了明顯改善。

檢具測量數據實際反饋的結果與側圍外板建模從定性上基本吻合。

5 優化建議

基于3DCS模擬的結果與零件在檢具上的實際表現，尺寸項目組初步擬定在圖示位置增加基準墊塊，并通過3DCS FEA 模擬增加基準后側圍外板這兩個部位的型面變化。經過模型的調試，最終確認了新增基準點的具體位置，同時在側圍外板的焊接工裝同樣的位置增加支撐，確保基準的一致性。

6 結語

本文僅針對側圍外板局部（尾燈配合區域）的基準設定利用3DCS FEA柔性模塊做了初步分析，僅是對零件的布局基準點進行優化;如果考慮數學模型的介入，將3DCS FEA柔性模塊與數學模型結合運用，就可以在項目初期全面分析出零部件的基準定位的選擇，減少目前由于基準選擇不充分和選取位置不當帶來的更改、對項目開發帶來成本的增加及驗證周期加長的困擾。

本文提供了一種設想成功的可能性，可以利用軟件的幫助，根據零部件的幾何形狀、檢具擺放方式、重力影響、焊接工裝與焊接工藝限制及零部件成型特性的約束，全面恰當地選擇零部件的基準，在前期利用軟件完成驗證和輸出，確保項目初期基準一致性的實現，減少主機廠項目開發過程中的整改時間、整改成本。

參 考 文 獻.

[1]周江奇，陳關龍，來新民，等.車身設計尺寸質量評價的裝配尺寸鏈自動生成[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2005（5）.

[2]熊潔.三維偏差分析軟件在汽車開發中的應用[J].企業科技與發展，2010（22）.

[3]馬振海，李濤，胡敏.基于偏差分析的前照燈區域尺寸鏈優化[J].汽車工程師，2013（2）.

[責任編輯：陳澤琦]