虛擬分析在車身尺寸工程中的應(yīng)用

黃萃蔚

摘 要：各類CAD/CAE軟件和數(shù)字化工具在汽車產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)過程中發(fā)揮越來越高的作用。同時新的IT系統(tǒng)和工具，給車身的尺寸工程工作帶來新的活力，通過各類CAE，有限元等虛擬分析技術(shù)，在軟件環(huán)境中建立仿真模型，讓以往更多的依據(jù)經(jīng)驗的工作，在軟件中仿真顯示，并帶來量化的參考信息。虛擬分析讓車身尺寸鏈定義更加快捷精準(zhǔn)，車身尺寸控制更加有的放矢，車身尺寸分析更加高效。本文就虛擬分析技術(shù)在車身尺寸工程各個工作環(huán)節(jié)中的作用進(jìn)行闡述，供同行參考。

關(guān)鍵詞：車身尺寸鏈 虛擬分析 有限元分析 仿真 逆向

Application of Virtual Analysis in Body Size Engineering

Huang Cuiwei

Abstract：All kinds of CAD / CAE software and digital tools play a more and more important role in the process of automobile product development and production. At the same time， the new IT systems and tools bring new vitality to the size engineering of the car body. Through various CAE， finite element and other virtual analysis technologies， the simulation model is established in the software environment， so that more previous work based on experience can be simulated and displayed in the software and bring quantitative reference information. Virtual analysis makes the definition of body dimension chain faster and more accurate， body dimension control more targeted， and body dimension analysis more efficient. This paper expounds the role of virtual analysis technology in various work links of body size engineering for peer reference.

Key words：body dimension chain， virtual analysis， finite element analysis， simulation， reverse

汽車是多種技術(shù)的集合體，汽車的用戶感知質(zhì)量中的車內(nèi)噪音、車體外觀平整度和間隙汽車的舒適性體驗，以及車門關(guān)閉力，門玻璃升降等運(yùn)動性能，都與白車身的尺寸相關(guān)。汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系中注重的是以顧客為導(dǎo)向，展開過程管理，強(qiáng)調(diào)過程控制、質(zhì)量成本管理和減少浪費。企業(yè)在追求高質(zhì)量的同時，需要考慮質(zhì)量成本的投入以及高效的質(zhì)量回報。

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，汽車質(zhì)量管理中通過各類新的技術(shù)和新的思維的應(yīng)用，工程師能高效、便捷、直觀看到虛擬分析的結(jié)果，為各類實際工作決策提供參考。

車身尺寸工程是各個汽車整機(jī)廠的一項重要質(zhì)量工作內(nèi)容。車身尺寸工程是一項貫穿整個產(chǎn)品生命周期的工作內(nèi)容，它起始于產(chǎn)品的設(shè)計階段，從產(chǎn)品設(shè)計、試制、小批量試生產(chǎn)、批量生產(chǎn)，直至整車售后服務(wù)，貫穿產(chǎn)品的全生命周期。車輛交付后的用戶反饋信息在收集整理以后，又再次成為新產(chǎn)品或新工藝的要求，成為設(shè)計階段的輸入，從而實現(xiàn)尺寸工程的閉環(huán)。尺寸工程在這個閉環(huán)中，通過不斷的按用戶關(guān)注度進(jìn)行總結(jié)提煉，不斷優(yōu)化調(diào)整的一個過程。在各個產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)，都有尺寸工程的工作內(nèi)容。

汽車的尺寸工程實質(zhì)是一個跨專業(yè)的工作流程，尺寸工程工作不僅需要對汽車零部件的結(jié)構(gòu)和性能的熟悉度，也需要熟悉各類生產(chǎn)工藝，了解工藝參數(shù)對尺寸的影響，還需要豐富的數(shù)字化工程的應(yīng)用經(jīng)驗。

自六十年代初，CAD（Computer-aided design）、CAM（Computer-aided manufacturing）、CAS（Computer-aided styling）、CAT（Computer-aided test）、CAE（Computer-aided engineering）開始進(jìn)入制造業(yè)。各類分析可用于沖壓成型、鑄造和鍛造的工藝過程進(jìn)行模擬分析，焊接工藝仿真，整車虛擬裝配及匹配，預(yù)判并解決產(chǎn)品質(zhì)量問題。通過軟件模擬計算和仿真，預(yù)見各類設(shè)計缺陷，縮短了設(shè)計驗證的時間和成本。今天，各種計算機(jī)輔助分析系統(tǒng)應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計和過程設(shè)計中，讓虛擬分析技術(shù)滲透到汽車產(chǎn)品的整個過程中，大大提升了產(chǎn)品設(shè)計師、工藝規(guī)劃師、質(zhì)量工程師的工作效率。

1 虛擬分析的定義

虛擬分析（Virtual Analysis）是計算機(jī)環(huán)境中使用幾何模型和相關(guān)的軟件工具，完成分析、模擬，為質(zhì)量優(yōu)化和決策制定提供依據(jù)或參考信息的輔助工具。虛擬分析中使用的技術(shù)包含各類有限元分析軟件、CAD/CAE仿真軟件、網(wǎng)格化軟件、數(shù)學(xué)建模計算軟件等軟件或系統(tǒng)的支持，也包含光學(xué)掃描、視覺引導(dǎo)等測量軟件，以及VR/AI等結(jié)果展示技術(shù)的應(yīng)用。

有限元分析（Finite Element Analysis）的應(yīng)用，可以通過參數(shù)設(shè)置，在軟件中比較方便地用前處理劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，在計算機(jī)求解完成后用后處理顯示可視化的計算結(jié)果。隨著CAE/CAM/CAD軟件功能的發(fā)展，各類有限元分析軟件的應(yīng)用完善了虛擬樣件（Virtual Prototyping）計算模型。

在不同的階段，虛擬分析的輸入信息是不同的，設(shè)計階段主要以零件的設(shè)計數(shù)模作為有限元分析的基礎(chǔ)，在實際生產(chǎn)階段虛擬分析以光學(xué)掃描測量數(shù)據(jù)作為有限線分析的基礎(chǔ)。實際零部件產(chǎn)品的光學(xué)掃描測量，首先提升了實物尺寸偏差的評價效率，得到全面的偏差信息，成為虛擬分析的基礎(chǔ);其次掃描數(shù)據(jù)又是前一次虛擬分析結(jié)果的驗證，幫助不斷優(yōu)化虛擬分析參數(shù)設(shè)置方案和數(shù)學(xué)模型，見圖2。

一般說來，白車身的尺寸控制包含以下幾方面的工作內(nèi)容，整車尺寸設(shè)計要求確定，可制造性分析和風(fēng)險評估，虛擬樣車匹配質(zhì)量分析，尺寸基準(zhǔn)系統(tǒng)定義，車身測量方案制定，測量系統(tǒng)規(guī)劃和實施，尺寸數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計分析系統(tǒng)，批量生產(chǎn)監(jiān)控，售后抱怨分析。這些內(nèi)容在產(chǎn)品生命周期的不同時期進(jìn)行，不同時期的虛擬分析的目的不同，以下就尺寸工程中幾項工作內(nèi)容，說明虛擬分析的工作目標(biāo)。

2 虛擬分析在尺寸基準(zhǔn)系統(tǒng)定義中的應(yīng)用

尺寸基準(zhǔn)系統(tǒng)，簡單的說就是符合3-2-1定位原則的零件定位系統(tǒng)。尺寸基準(zhǔn)系統(tǒng)是為了統(tǒng)一圖紙設(shè)計要求、生產(chǎn)工藝定位和測量定位的零件定位系統(tǒng)。只有在統(tǒng)一的基準(zhǔn)系統(tǒng)中，各個環(huán)節(jié)的工程師才能直觀的了解過程缺陷，并且制定應(yīng)對措施。

沖壓工藝中，模具裝模修正的基準(zhǔn)經(jīng)常與實際零件的定位基準(zhǔn)不完全相同，此時模具工藝工程師需要經(jīng)過一定的換算，才能根據(jù)零件的測量數(shù)據(jù)確定模具的修模量。但模具設(shè)計的前提是，零件的基準(zhǔn)定位元素必須是在模具中穩(wěn)定的，不會經(jīng)常調(diào)整的元素，否則設(shè)計模具修正過程中的質(zhì)量分析變得復(fù)雜且不可判斷。

車身焊裝工藝中，為了彌補(bǔ)或修正沖壓單件的生產(chǎn)偏差，一般焊裝夾緊定位多于零件的測量定位。但是為了便于質(zhì)量分析和措施制定，焊裝夾具的主定位和零件測量的主定位必須保持一致。在車身焊裝工藝的定位規(guī)劃中，虛擬分析可以模擬零件不同擺放位置和受力定位后的零件姿態(tài)，避免由于零件定位不合理，工件加緊順序不合理引起尺寸偏差放大。

零件定位方式的虛擬分析可分為靜態(tài)分析和動態(tài)分析。在產(chǎn)品設(shè)計階段，用于虛擬分析可以是零件的CAD設(shè)計數(shù)模，也可以是零件可制造性分析后得到的零件數(shù)模。將數(shù)模網(wǎng)格化以后，用于虛擬分析。

零件的靜態(tài)分析是分析零件定位點的虛擬分析過程，在軟件中仿真零件受力點位置和受力大小，分別對零件設(shè)計數(shù)模和虛擬樣件數(shù)模采用同樣的定位點和夾持力，分別分析在理論設(shè)計狀態(tài)和生產(chǎn)偏差狀態(tài)下，零件受力后的變形預(yù)測值，不斷的調(diào)整受力點位置和受力大小，獲得最佳受力點分布。

零件的動態(tài)分析是分析零件定位點夾緊順序的一種虛擬分析，按不同的順序夾緊零件，分析零件的變形，獲得最優(yōu)方案。

虛擬分析以后的零件尺寸基準(zhǔn)系統(tǒng)，作為零件圖紙和工藝圖紙中的一部分。

3 虛擬分析在偏差分析和風(fēng)險評估中的應(yīng)用

3.1 公差制定階段的偏差分析

3DCS等軟件可以在軟件中模擬零件的偏差范圍，預(yù)估對下道工序零件的可能偏差范圍，并且獲得偏差貢獻(xiàn)率。常規(guī)的偏差模擬使用的是零件的理論數(shù)模。實際操作中，我們可以采用不同的數(shù)據(jù)修正仿真模擬參數(shù)，進(jìn)行偏差分析。比如以往類似零件的偏差經(jīng)驗值，工藝制作分析的CAE仿真結(jié)果，以及實際零件的測量數(shù)據(jù)。

采用不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析的目的是不同的。采用零件設(shè)計數(shù)模進(jìn)行偏差分析，有兩種分析路徑：一是由大及小，以整車設(shè)計要求為起點，逐步分析到單個零部件的偏差允許范圍，這種思路是以保證整車的設(shè)計要求為先的分析;另外一種是由小及大，由單個零件為起點，逐步累加偏差，分析至整車，驗證單件的工藝過程設(shè)計是否與整車質(zhì)量相符。兩種分析不會單獨使用，在實際產(chǎn)品設(shè)計和過程設(shè)計環(huán)節(jié)，生產(chǎn)工藝規(guī)劃方案和產(chǎn)品的設(shè)計方案需要不斷的相互匹配調(diào)整，以獲得最佳結(jié)果。

3.2 試生產(chǎn)階段的偏差分析

試生產(chǎn)階段，通過光學(xué)掃描實際樣件，經(jīng)過網(wǎng)格化以后，作為虛擬分析的輸入模型。采用實際零件測量數(shù)據(jù)的偏差分析是用于產(chǎn)品試生產(chǎn)階段的質(zhì)量優(yōu)化過程，通過實際零件的測量網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，參考工藝穩(wěn)定性，通過軟件計算，獲取當(dāng)前狀態(tài)零件對后道工藝質(zhì)量的影響程度，按對后道工藝過程的質(zhì)量影響程度，制定質(zhì)量問題優(yōu)化的優(yōu)先級。

采用實際零件的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差傳遞分析，是通過軟件，預(yù)估質(zhì)量風(fēng)險的一種手段。工藝設(shè)計階段的數(shù)學(xué)模型在這個階段被用于對后道工藝的預(yù)判，通過這種形式一方面驗證何優(yōu)化數(shù)學(xué)模型;另一方面虛擬分析能幫助找到參數(shù)對質(zhì)量問題的貢獻(xiàn)率，找到問題的主因參數(shù)。通過軟件仿真有選擇的進(jìn)行實車驗證，從而降低質(zhì)量投入成本。虛擬分析結(jié)果能給出的工藝調(diào)整建議，但必須通過實際樣件來驗真，才能用于批量生產(chǎn)。

4 虛擬分析在確定車身測量方案的應(yīng)用

在尺寸工程中，包含尺寸鏈分析，并且針對尺寸鏈分析的結(jié)果按對尺寸質(zhì)量的影響程度選擇首批樣件質(zhì)量認(rèn)可的測量方案和批量生產(chǎn)后的尺寸測量監(jiān)控方案，統(tǒng)稱為車身測量方案。

為了驗證車身尺寸質(zhì)量，整機(jī)廠需要制定白車身零件的尺寸控制策略和測點規(guī)劃。白車身總成上具備功能的元素有幾千個，在日常質(zhì)量監(jiān)控中，零件的尺寸的快速反饋的時間和測量內(nèi)容的多少是一個反比例關(guān)系，測量監(jiān)控的點越多，測量設(shè)備投入和測量時間投入就越大，得到尺寸質(zhì)量信息的反饋時間就越長。

在批量生產(chǎn)狀態(tài)，需要將監(jiān)控設(shè)備能力傾向于車身關(guān)鍵性能，因此制定一份精益尺寸監(jiān)控測量計劃是質(zhì)量控制的重點工作內(nèi)容。

一般白車身零件測量監(jiān)控的內(nèi)容分為功能構(gòu)成點、工序監(jiān)控點和外觀評價點。功能構(gòu)成點是用于重要零件安裝的定位點，比如座椅安裝孔等等，監(jiān)控功能構(gòu)成點的目的是為了判斷零件或者總成是否符合公差設(shè)計要求，保證后續(xù)零件安裝定位。工序監(jiān)控點是按生產(chǎn)工藝的規(guī)劃方案，監(jiān)測對應(yīng)夾具上定位銷或定位面的零件位置，工序監(jiān)控點的作用是用來監(jiān)控工藝過程中零件的定位準(zhǔn)確度而設(shè)置的測量點，是用于過程穩(wěn)定性監(jiān)控的測點。外觀評價點則是用戶可以直接觀測到的車身區(qū)域的位置，比如，車身匹配區(qū)域。

軟件能夠幫助尺寸工程師實現(xiàn)尺寸鏈的計算。在軟件輔助的基礎(chǔ)上，質(zhì)量工程師很容易通過零件樹（Boom），獲得零件總成級別關(guān)系。在設(shè)計階段，虛擬樣車以及偏差分析的結(jié)果，已經(jīng)告訴質(zhì)量工程師，車輛性能重點關(guān)注區(qū)域，工藝風(fēng)險區(qū)域，和偏差傳遞中的敏感區(qū)域。在這些區(qū)域內(nèi)選擇零件或工藝定位點，或者零件尺寸性能評價元素，作為質(zhì)量控制方案。

5 虛擬分析在測量系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用

確定了車身尺寸監(jiān)控計劃和車身定位基準(zhǔn)系統(tǒng)以后，需要針對尺寸監(jiān)控內(nèi)容規(guī)劃適合有效的測量系統(tǒng)，包含測量設(shè)備、測量定位（檢具）、操作人員、測量流程、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，和預(yù)警和報警設(shè)備。測量系統(tǒng)又分為離線測量系統(tǒng)和在線測量系統(tǒng)，分別用于車身質(zhì)量優(yōu)劣評判和生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的監(jiān)控。

虛擬分析可實現(xiàn)測量工位的測量可達(dá)性分析，是輔助測量設(shè)備選型和測量工位布局的工具。一般測量可達(dá)性分析可以使用測量設(shè)備自帶的脫機(jī)編程功能或機(jī)器人仿真軟件來實現(xiàn)。虛擬分析同時也應(yīng)用于檢具結(jié)構(gòu)設(shè)計，用來模擬檢具的強(qiáng)度和檢具輕量化設(shè)計。測量程序的模擬軟件可以優(yōu)化測量設(shè)備的運(yùn)行路徑。

6 結(jié)語

常用的虛擬分析軟件有美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析ANSYS，美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的專用軟件DYNAFORM軟件，能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題的ABAQUS，動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS和集成在CATIA中的公差分析軟件3DCS等等。虛擬分析中數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和參數(shù)的選擇是虛擬分析中的技術(shù)難點，直接影響虛擬分析的輸出結(jié)果。虛擬分析還有很多需要探索的應(yīng)用，以提升虛擬分析的準(zhǔn)確度和高效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王子劍.尺寸工程在車身開發(fā)中的應(yīng)用研究.《科技廣場》2015年第6期.

[2]李華偉，張福.汽車尺寸工程尺寸鏈分析方法及流程.《機(jī)械工程師》2017年第3期.

[3]侯欣.《基于DQ_V與虛擬分析優(yōu)化的尺寸工程管理研究.上海交通大學(xué)2007.