虛擬分析在車身尺寸工程中的應用

黃萃蔚

摘 要：各類CAD/CAE軟件和數字化工具在汽車產品開發和生產過程中發揮越來越高的作用。同時新的IT系統和工具，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，在軟件環境中建立仿真模型，讓以往更多的依據經驗的工作，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，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在車身尺寸工程各個工作環節中的作用進行闡述，供同行參考。

關鍵詞：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

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

隨著IT技術的發展，汽車質量管理中通過各類新的技術和新的思維的應用，工程師能高效、便捷、直觀看到虛擬分析的結果，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廠的一項重要質量工作內容。車身尺寸工程是一項貫穿整個產品生命周期的工作內容，它起始于產品的設計階段，從產品設計、試制、小批量試生產、批量生產，直至整車售后服務，貫穿產品的全生命周期。車輛交付后的用戶反饋信息在收集整理以后，又再次成為新產品或新工藝的要求，成為設計階段的輸入，從而實現尺寸工程的閉環。尺寸工程在這個閉環中，通過不斷的按用戶關注度進行總結提煉，不斷優化調整的一個過程。在各個產品生命周期的各個環節，都有尺寸工程的工作內容。

汽車的尺寸工程實質是一個跨專業的工作流程，尺寸工程工作不僅需要對汽車零部件的結構和性能的熟悉度，也需要熟悉各類生產工藝，了解工藝參數對尺寸的影響，還需要豐富的數字化工程的應用經驗。

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）開始進入制造業。各類分析可用于沖壓成型、鑄造和鍛造的工藝過程進行模擬分析，焊接工藝仿真，整車虛擬裝配及匹配，預判并解決產品質量問題。通過軟件模擬計算和仿真，預見各類設計缺陷，縮短了設計驗證的時間和成本。今天，各種計算機輔助分析系統應用在產品設計和過程設計中，讓虛擬分析技術滲透到汽車產品的整個過程中，大大提升了產品設計師、工藝規劃師、質量工程師的工作效率。

1 虛擬分析的定義

虛擬分析（Virtual Analysis）是計算機環境中使用幾何模型和相關的軟件工具，完成分析、模擬，為質量優化和決策制定提供依據或參考信息的輔助工具。虛擬分析中使用的技術包含各類有限元分析軟件、CAD/CAE仿真軟件、網格化軟件、數學建模計算軟件等軟件或系統的支持，也包含光學掃描、視覺引導等測量軟件，以及VR/AI等結果展示技術的應用。

有限元分析（Finite Element Analysis）的應用，可以通過參數設置，在軟件中比較方便地用前處理劃分網格，建立有限元模型，在計算機求解完成后用后處理顯示可視化的計算結果。隨著CAE/CAM/CAD軟件功能的發展，各類有限元分析軟件的應用完善了虛擬樣件（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，設計階段主要以零件的設計數模作為有限元分析的基礎，在實際生產階段虛擬分析以光學掃描測量數據作為有限線分析的基礎。實際零部件產品的光學掃描測量，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;其次掃描數據又是前一次虛擬分析結果的驗證，幫助不斷優化虛擬分析參數設置方案和數學模型，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容，整車尺寸設計要求確定，可制造性分析和風險評估，虛擬樣車匹配質量分析，尺寸基準系統定義，車身測量方案制定，測量系統規劃和實施，尺寸數據采集及統計分析系統，批量生產監控，售后抱怨分析。這些內容在產品生命周期的不同時期進行，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容，說明虛擬分析的工作目標。

2 虛擬分析在尺寸基準系統定義中的應用

尺寸基準系統，簡單的說就是符合3-2-1定位原則的零件定位系統。尺寸基準系統是為了統一圖紙設計要求、生產工藝定位和測量定位的零件定位系統。只有在統一的基準系統中，各個環節的工程師才能直觀的了解過程缺陷，并且制定應對措施。

沖壓工藝中，模具裝模修正的基準經常與實際零件的定位基準不完全相同，此時模具工藝工程師需要經過一定的換算，才能根據零件的測量數據確定模具的修模量。但模具設計的前提是，零件的基準定位元素必須是在模具中穩定的，不會經常調整的元素，否則設計模具修正過程中的質量分析變得復雜且不可判斷。

車身焊裝工藝中，為了彌補或修正沖壓單件的生產偏差，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，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分析和動態分析。在產品設計階段，用于虛擬分析可以是零件的CAD設計數模，也可以是零件可制造性分析后得到的零件數模。將數模網格化以后，用于虛擬分析。

零件的靜態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，分別對零件設計數模和虛擬樣件數模采用同樣的定位點和夾持力，分別分析在理論設計狀態和生產偏差狀態下，零件受力后的變形預測值，不斷的調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，獲得最優方案。

虛擬分析以后的零件尺寸基準系統，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險評估中的應用

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，預估對下道工序零件的可能偏差范圍，并且獲得偏差貢獻率。常規的偏差模擬使用的是零件的理論數模。實際操作中，我們可以采用不同的數據修正仿真模擬參數，進行偏差分析。比如以往類似零件的偏差經驗值，工藝制作分析的CAE仿真結果，以及實際零件的測量數據。

采用不同的數據進行偏差分析的目的是不同的。采用零件設計數模進行偏差分析，有兩種分析路徑：一是由大及小，以整車設計要求為起點，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計是否與整車質量相符。兩種分析不會單獨使用，在實際產品設計和過程設計環節，生產工藝規劃方案和產品的設計方案需要不斷的相互匹配調整，以獲得最佳結果。

3.2 試生產階段的偏差分析

試生產階段，通過光學掃描實際樣件，經過網格化以后，作為虛擬分析的輸入模型。采用實際零件測量數據的偏差分析是用于產品試生產階段的質量優化過程，通過實際零件的測量網格化數據，參考工藝穩定性，通過軟件計算，獲取當前狀態零件對后道工藝質量的影響程度，按對后道工藝過程的質量影響程度，制定質量問題優化的優先級。

采用實際零件的測量數據進行偏差傳遞分析，是通過軟件，預估質量風險的一種手段。工藝設計階段的數學模型在這個階段被用于對后道工藝的預判，通過這種形式一方面驗證何優化數學模型;另一方面虛擬分析能幫助找到參數對質量問題的貢獻率，找到問題的主因參數。通過軟件仿真有選擇的進行實車驗證，從而降低質量投入成本。虛擬分析結果能給出的工藝調整建議，但必須通過實際樣件來驗真，才能用于批量生產。

4 虛擬分析在確定車身測量方案的應用

在尺寸工程中，包含尺寸鏈分析，并且針對尺寸鏈分析的結果按對尺寸質量的影響程度選擇首批樣件質量認可的測量方案和批量生產后的尺寸測量監控方案，統稱為車身測量方案。

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

在批量生產狀態，需要將監控設備能力傾向于車身關鍵性能，因此制定一份精益尺寸監控測量計劃是質量控制的重點工作內容。

一般白車身零件測量監控的內容分為功能構成點、工序監控點和外觀評價點。功能構成點是用于重要零件安裝的定位點，比如座椅安裝孔等等，監控功能構成點的目的是為了判斷零件或者總成是否符合公差設計要求，保證后續零件安裝定位。工序監控點是按生產工藝的規劃方案，監測對應夾具上定位銷或定位面的零件位置，工序監控點的作用是用來監控工藝過程中零件的定位準確度而設置的測量點，是用于過程穩定性監控的測點。外觀評價點則是用戶可以直接觀測到的車身區域的位置，比如，車身匹配區域。

軟件能夠幫助尺寸工程師實現尺寸鏈的計算。在軟件輔助的基礎上，質量工程師很容易通過零件樹（Boom），獲得零件總成級別關系。在設計階段，虛擬樣車以及偏差分析的結果，已經告訴質量工程師，車輛性能重點關注區域，工藝風險區域，和偏差傳遞中的敏感區域。在這些區域內選擇零件或工藝定位點，或者零件尺寸性能評價元素，作為質量控制方案。

5 虛擬分析在測量系統規劃中的應用

確定了車身尺寸監控計劃和車身定位基準系統以后，需要針對尺寸監控內容規劃適合有效的測量系統，包含測量設備、測量定位（檢具）、操作人員、測量流程、數據庫系統，和預警和報警設備。測量系統又分為離線測量系統和在線測量系統，分別用于車身質量優劣評判和生產過程穩定性的監控。

虛擬分析可實現測量工位的測量可達性分析，是輔助測量設備選型和測量工位布局的工具。一般測量可達性分析可以使用測量設備自帶的脫機編程功能或機器人仿真軟件來實現。虛擬分析同時也應用于檢具結構設計，用來模擬檢具的強度和檢具輕量化設計。測量程序的模擬軟件可以優化測量設備的運行路徑。

6 結語

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公司聯合開發的用于板料成形數值模擬的專用軟件DYNAFORM軟件，能解決大量結構（應力/位移）問題的ABAQUS，動力學仿真分析軟件ADAMS和集成在CATIA中的公差分析軟件3DCS等等。虛擬分析中數據網格化和參數的選擇是虛擬分析中的技術難點，直接影響虛擬分析的輸出結果。虛擬分析還有很多需要探索的應用，以提升虛擬分析的準確度和高效率。

參考文獻：

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