基于CAE/CAD的油箱口蓋面差及形偏問(wèn)題分析與解決

趙利濤 張偉

（秦皇島威卡威汽車零部件有限公司，秦皇島066004）

1 前言

隨著時(shí)代的進(jìn)步和生活品質(zhì)的提升，消費(fèi)者對(duì)汽車不僅僅滿足于基本的出行需求，對(duì)汽車感知質(zhì)量的關(guān)注度也越來(lái)越高。感知質(zhì)量反映著當(dāng)代審美取向和科技制造水平，涉及汽車的造型和做工2個(gè)方面，直接影響消費(fèi)者的購(gòu)車選擇。隨著生產(chǎn)技術(shù)及管理手段越來(lái)越高，汽車廠商致力于產(chǎn)品感知質(zhì)量的管控以提升自身競(jìng)爭(zhēng)力。

油箱口蓋是安裝在汽車側(cè)圍鈑金上遮擋油箱加油口的一個(gè)重要部件，其表面品質(zhì)及與側(cè)圍鈑金的匹配精度，是汽車感知質(zhì)量重點(diǎn)評(píng)價(jià)對(duì)象。油箱口蓋按照材質(zhì)一般分為金屬油箱口蓋、塑料油箱口蓋和異種材質(zhì)油箱口蓋[1]。其中塑料油箱口蓋具有表面品質(zhì)好、尺寸精度高、子部件少、易裝配等優(yōu)勢(shì)，被諸多車型廣泛應(yīng)用[2]。但塑料油箱口蓋存在對(duì)注塑工藝要求高、質(zhì)量控制難度大的問(wèn)題，一直是零部件制造商工藝改善和質(zhì)量提升的重要課題。在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)匹配間隙、面差超差、表面形偏的問(wèn)題，其中面差和形偏均與卡扣的Y向位置有很強(qiáng)的相關(guān)性，加之油箱口蓋卡扣數(shù)量多且組裝后不易觀察卡扣配合狀態(tài)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)面差超差或組裝后形偏時(shí)，原因及調(diào)整方案不易確定，需要的調(diào)整輪次多，周期長(zhǎng)。本文就此問(wèn)題進(jìn)行探究，給出卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系、組裝形偏形式及原因?qū)φ毡恚瑢?duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

2 油箱口蓋面差及形偏模擬分析

首先對(duì)通過(guò)對(duì)稱和等效的思想對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后使用CAE軟件對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行有限元分析，再對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行后處理，分析不同工況下油箱口蓋的Y向位移云圖，并將變形后的口蓋數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件對(duì)其外觀質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 問(wèn)題簡(jiǎn)化

本文塑料油箱口蓋系統(tǒng)主要由底座、支架和面蓋三大子部件構(gòu)成，如圖1所示，支架和面蓋為卡接結(jié)構(gòu)，面蓋背面近似均勻分布6個(gè)卡扣，如圖2所示（裝車狀態(tài)時(shí)“油箱口蓋”特指面蓋）?？紤]到卡扣分布具有對(duì)稱性，運(yùn)用對(duì)稱思維，以卡扣1、卡扣2作為研究對(duì)象，其他卡扣對(duì)應(yīng)的變形形式可通過(guò)對(duì)稱變換近似得到；對(duì)卡扣1、卡扣2施加正向位移進(jìn)行分析，其施加反向位移的變形結(jié)果也可以通過(guò)對(duì)稱得到；使用等效的方法將同一排中2個(gè)卡扣低（或高）的情況處理為另一卡扣高（或低）的情況，忽略2排卡扣之間的相互影響。這樣，看似復(fù)雜的6個(gè)卡扣狀態(tài)隨機(jī)組合的問(wèn)題即可簡(jiǎn)化為2種簡(jiǎn)單工況，即對(duì)卡扣1和卡扣2分別進(jìn)行單向加載，分析油箱口蓋變形后面差變化及對(duì)應(yīng)形偏形式。

圖1 塑料油箱口蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 油箱口蓋（面蓋）卡扣分布

2.2 有限元分析

考慮到塑料材質(zhì)的彈性較好且油箱口蓋變形量不大，本文采用彈性理論作為有限元分析的理論基礎(chǔ)。使用ABAQUS軟件作為有限元分析的工具，將面蓋3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入ABAQUS中，材料屬性設(shè)置彈性模量2330 MPa，泊松比0.39，劃分成2 mm大小四面體網(wǎng)格，一次單元，邊界條件如表1所示。

表1 2種工況對(duì)應(yīng)的邊界條件

使用靜態(tài)隱式求解器提交求解，并對(duì)結(jié)果文件進(jìn)行后處理，導(dǎo)出變形后油箱口蓋3D數(shù)據(jù)，得到工況1、工況2對(duì)應(yīng)的油箱口蓋的Y向位移云圖，如圖3、圖4所示。

圖3 油箱口蓋的Y向位移云圖（工況1）

圖4 油箱口蓋的Y向位移云圖（工況2）

卡扣1位置位移2 mm，右下角面差同向變化3.97 mm，約為卡扣1變化量的2倍，卡扣4位置面差反向變化0.52 mm，約為卡扣1變化量的25%。

卡扣2位移2 mm，卡扣2位置面差同向變化2 mm，面差變化與卡扣2變化基本一致，左下、右下面差均反向變化最大1.77 mm，約為卡扣2變化量的80%。

2.3 等照度線映射分析

使用CATIA軟件打開(kāi)2.2節(jié)有限元分析后處理得到的變形后面蓋3D數(shù)據(jù)，裝配至側(cè)圍鈑金中，進(jìn)行等照度線映射分析（Isophote Mapping Analysis），得到工況1、工況2對(duì)應(yīng)的斑馬線形狀，如圖5、圖6所示。

圖5 油箱口蓋的斑馬線（工況1）

圖6 油箱口蓋的斑馬線（工況2）

油箱口蓋的卡扣1、卡扣2位置與側(cè)圍鈑金光線出現(xiàn)錯(cuò)位，卡扣2位置光線繞過(guò)卡扣2向卡扣1方向出現(xiàn)大幅平滑偏折。

油箱口蓋的卡扣1、卡扣2、卡扣3位置與側(cè)圍鈑金光線均出現(xiàn)錯(cuò)位，卡扣2位置光線由兩側(cè)向卡扣2大幅平滑偏折。

3 油箱口蓋面差及形偏問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制作手工樣件，將支架部件對(duì)應(yīng)卡扣破壞用螺釘替代，如圖7所示。

圖7 油箱口蓋的手工樣件

使用三坐標(biāo)驗(yàn)證面差變化量，如圖8所示。對(duì)調(diào)整前面差進(jìn)行測(cè)量，然后調(diào)整螺釘高度至與工況1、工況2對(duì)應(yīng)狀態(tài)，再對(duì)面差進(jìn)行測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到面差變化量，外圈數(shù)據(jù)為工況1面差變化量，內(nèi)圈數(shù)據(jù)為工況2變化量，如圖9所示。

圖8 油箱口蓋三坐標(biāo)測(cè)量

圖9 油箱口蓋調(diào)整前、后面差變化量（mm）

2種工況變形趨勢(shì)均與模擬結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性，模擬結(jié)果可靠。另外，在2種工況中，油箱口蓋左下角面差變化量較模擬結(jié)果均偏小，偏差約0.2 mm，偏差主要來(lái)源于材料屬性、邊界條件設(shè)置與實(shí)際的偏差。

在Audit燈光下驗(yàn)證形偏情況，工況1結(jié)果如圖10所示，工況2結(jié)果如圖11所示。

圖10 油箱口蓋Audit效果（工況1）

圖11 油箱口蓋Audit效果（工況2）

油箱口蓋實(shí)際形偏形式與模擬結(jié)果一致，具有很強(qiáng)的一致性，表明模擬結(jié)果可靠。

4 油箱口蓋面差及形偏問(wèn)題結(jié)論

本文第3節(jié)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性，下面按照2.1節(jié)問(wèn)題簡(jiǎn)化的思路，定量給出卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并推演出組裝形偏形式及原因?qū)φ毡怼?/p>

4.1 卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量對(duì)應(yīng)關(guān)系

油箱口蓋左下、右下、左上、右上位置面差變化量對(duì)應(yīng)卡扣1、卡扣3、卡扣4、卡扣6位移變化量的2倍，卡扣4、卡扣6、卡扣1、卡扣3位置面差變化量對(duì)應(yīng)卡扣1、卡扣3、卡扣4、卡扣6位移變化量的25%；油箱口蓋左下、右下位置面差變化對(duì)應(yīng)卡扣2位移變化量的75%，左上、右上位置面差變化對(duì)應(yīng)卡扣5位移變化量的75%。

4.2 形偏形式及原因?qū)φ毡?/h3>

形偏均發(fā)生在卡扣2、卡扣5位置，且曲率變化平緩，通過(guò)對(duì)稱變換可得到形偏形式及原因?qū)φ毡?，如?、表3所示。

表2 卡扣2位置組裝形偏形式及原因?qū)φ毡?/p>

表3 卡扣5位置形偏形式及原因?qū)φ毡?/p>

5 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際生產(chǎn)中可以快速甄別組裝形偏，了解對(duì)應(yīng)的形成原因，圖12為整車下線時(shí)發(fā)現(xiàn)的形偏缺陷，通過(guò)本文得出的形偏形式及原因?qū)φ毡砜梢钥焖倥卸榭?高或卡扣2、卡扣3低造成的組裝形偏，產(chǎn)線可快速對(duì)問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)。

圖12 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的形偏缺陷

使用面差尺進(jìn)行測(cè)量后，最終確認(rèn)為卡扣1高，將面蓋拆下，臨時(shí)使用刀片將卡扣1下表面定位凸點(diǎn)切除，如圖13所示。

圖13 臨時(shí)措施

重新裝配后，Audit燈光下的油箱口蓋狀態(tài)如圖14所示，可見(jiàn)卡扣2附近燈光大幅偏折已基本消除，口蓋形偏得以修復(fù)。

圖14 修復(fù)后油箱口蓋Audit效果

如果缺陷呈批量狀態(tài)，則需要快速調(diào)整模具，調(diào)整時(shí)應(yīng)考慮本文給出的卡扣Y向調(diào)整量與面差變化量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，快速解決問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)稱和等效的思維方式使問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化，通過(guò)CAD/CAE聯(lián)合仿真的技術(shù)手段模擬出卡扣Y向變化對(duì)面差及形偏的影響，具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。此方法適用于受力變形部件的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)。