□ 詹高偉 □ 李 明 □ 韋慶玥 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學(xué) 智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

目前，計算機輔助公差設(shè)計的研究主要針對剛度大、變形小的剛性零件，忽略零件變形對裝配公差的影響。由于金屬薄壁件主要為柔性件，具有柔性大、剛度小的特點，剛性零件的公差分析理論不再完全適用。為更好地控制薄壁件裝配尺寸的精度，有必要對考慮薄壁件柔性特征的公差分析理論方法進行深入研究。

薄壁件裝配的公差分析應(yīng)該在設(shè)計階段進行，在設(shè)計的同時，需要考慮制造過程中零件受力變形對公差分配的影響，為合理的公差分配提供可靠依據(jù)，這樣才能有效估計部件實際裝配的效果，控制好重要尺寸的浮動范圍，降低裝配件修正或返工的頻率。在設(shè)計階段，一般無法得知最終裝配件的具體誤差，需要用公差分析理論與建模來模擬最終裝配狀態(tài)。公差分析理論與方法在此起到了關(guān)鍵的作用，因此，為提高公差分析的質(zhì)量和分析速度，需將CAD、CAE和CAT技術(shù)結(jié)合起來對產(chǎn)品尺寸公差進行分析。

筆者在以上幾個方面的背景下進行研究，提出一種基于有限元模型用于薄壁裝配的公差分配方法。利用該方法，可以在滿足產(chǎn)品整體質(zhì)量和已知受力的情況下，在裝配前確定最大允許加工公差，這樣既可降低裝配件的制造成本，又可保證薄壁零件的焊接質(zhì)量。此方法為以薄壁件為主的汽車薄壁件沖壓工藝設(shè)計提供了依據(jù)，并且對汽車行業(yè)有著很大的應(yīng)用價值。

研究的目的是提供給設(shè)計師評估公差狀況的手段，通過有限元分析與計算機輔助公差設(shè)計相結(jié)合的方法，為設(shè)計師提供可靠、準(zhǔn)確、合理的公差分配依據(jù)，進而縮短設(shè)計周期，降低計算成本，提高產(chǎn)品競爭力。

1 系統(tǒng)分析和技術(shù)路線

車門是汽車車身設(shè)計中一個相對獨立的部件，它由多塊薄板沖壓焊接而成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。車門應(yīng)具有良好的密封性和碰撞安全性，以免產(chǎn)生噪聲、漏風(fēng)、灰塵的吸入以及車門卡死等現(xiàn)象，因此強度、剛度和幾何誤差是車門系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的重要參數(shù)［6］。

車門裝配過程一般要經(jīng)過以下4個步驟。

（1）需要進行裝配的工件安裝在工裝上定位；

（2）用夾具進行夾緊；

（3）對裝配件進行連接或焊接操作；

（4）松掉夾具或工裝。

工件最終狀態(tài)受到幾種情況影響：不同工況（包括自由狀態(tài)和有工裝保證狀態(tài)）、焊接變形、自身重力等。

在對車門進行公差設(shè)計和分析過程中，主要都是基于理想模型，未將車門實際裝配后的車門狀態(tài)置于總體裝配與分析過程中。由于脫離了實際裝配環(huán)境，因而通過車門內(nèi)外板剛度模擬實驗得出的理論分析結(jié)果與實際裝配條件下的車門剛度薄弱位置常會存在一定的偏差。車門設(shè)計過程中的剛度設(shè)計與尺寸公差設(shè)計的分離，導(dǎo)致理想狀態(tài)下的理論分析與實際工況下的實際裝配存在一定的差距，從而可能會引起裝配時發(fā)生干涉和精度超標(biāo)等情況，繼而造成返工、浪費、成本增加、生產(chǎn)進度延誤等問題。

筆者研究的對象涉及到空間尺寸鏈及復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此整個尺寸鏈的分析計算過程相當(dāng)復(fù)雜。用有限元進行分析時，對細(xì)節(jié)信息的簡化會影響到整體模型的完整性，因此如何簡化或輕量化模型來滿足公差分析的要求，探索一種有效的解決方案，把有限元分析結(jié)果與公差分析結(jié)合起來也是研究的難點之一。

基于車門的以上特點，選用某轎車的前車門為例，研究和探索在有限元變形分析狀態(tài)下的公差分析方法，以說明其方法在實際生產(chǎn)制造中的作用和意義。圖1描述了綜合有限元變形分析的公差分析流程。

▲圖1 綜合受力變形的車門公差分析流程

2 方案實施

2.1 車門CAD幾何模型建立

轎車前車門是一個由多塊鈑金件通過點焊組合而成的中空薄壁板殼機構(gòu)。分析時首先采用UG軟件進行幾何建模。在建模時，對車門內(nèi)板一些不影響分析結(jié)果的細(xì)小結(jié)構(gòu)作如下簡化。

（1）僅考慮車門相關(guān)零部件的有限元建模，忽略與車門相連的車身其它部分；

（2）忽略內(nèi)飾板、黏性材料及車窗玻璃部件；

（3）省略車鎖和車門鉸鏈的建模，用簡化的約束進行代替；

（4）整個車門選用單一金屬材料。

為了便于公差的可視化和在后續(xù)分析過程中的提取，與公差分析、裝配關(guān)系相關(guān)的公差信息以及與產(chǎn)品生產(chǎn)制造相關(guān)的生產(chǎn)和制造信息，采用軟件提供的產(chǎn)品制造信息來進行標(biāo)注。

2.2 車門有限元分析

車門是車身的重要組成部分，主要由殼體、附件和內(nèi)飾板3部分構(gòu)成，車門殼體由厚度0.8 mm左右的鋼板沖壓成外板和內(nèi)板再焊接而成。外板外形與整車協(xié)調(diào)，外板包著內(nèi)板，沿著門的邊緣形成一剛性箍。內(nèi)板是車門主要零件，根據(jù)需要在內(nèi)板上焊有加強板［2］。

由于轎車車門是具有復(fù)雜形狀的薄壁板殼結(jié)構(gòu)，如果直接采用節(jié)點、單元信息建立分析模型，十分困難。因此利用有限元分析軟件前處理模塊中提供的簡化模型功能，在CAD實體模型的基礎(chǔ)上進行自動簡化，從而方便快捷地形成有限元模型［4］。

針對薄壁零件特征，同時考慮到各計算機輔助設(shè)計軟件文件類型的兼容性，筆者采用的CAE軟件是NX Nastran 6.0。車門受重力影響的有限元分析流程如圖2所示，有限元分析結(jié)果如圖3所示，最后根據(jù)輸出變形后的各節(jié)點坐標(biāo)來調(diào)整車門CAD模型。

▲圖3 NX Nastran有限元分析結(jié)果

▲圖2 NX Nastran有限元分析過程

2.3 車門總成公

差分析

將變形后的車門裝配體轉(zhuǎn)化為輕量化模型后導(dǎo)入公差分析軟件VisVSA中進行分析。首先，導(dǎo)入UG軟件建模時標(biāo)注生產(chǎn)和制造信息，根據(jù)公差分析的需要新建或彌補公差特征；然后，在VisVSA中創(chuàng)建各零件之間的裝配關(guān)系和測量特征；最終，運行公差仿真計算模塊，輸出結(jié)果報告，并針對分析報告中列出的問題進行分析，提出改進方案［1］［5］。

筆者分別選取車門邊緣和車身側(cè)圍上對應(yīng)的兩個點，兩個點之間的距離大小即為車門與側(cè)圍的間隙值?；谑芰ψ冃瘟吭酱髮Τ叽绻钣绊懺矫黠@的情況，在車門變形量最大位置處（車門左上角位置）定義了6組測量點，在VisVSA軟件中設(shè)置前門總成的測量點分布如圖4所示，測量點是為了控制車門與車身之間密封條壓縮量的間距，以保證車門的密封性能［3］。

對比理想狀態(tài)下和靜力作用下的車門尺寸公差分析，以評定理想狀態(tài)下公差設(shè)計在實際生產(chǎn)過程中是否能夠滿足安全性、密封性和功能性要求。VisVSA模型的偏差分析結(jié)果是基于設(shè)計目標(biāo)做出的，主要考察車門總成與其相鄰零件的面差和縫隙間距是否可以滿足設(shè)計目標(biāo)，以確認(rèn)是否達(dá)到了穩(wěn)健型性設(shè)計要求。

理想狀態(tài)下的6組車門間隙測量結(jié)果和實際工況下車門受靜力變形后的6組間隙測量結(jié)果如圖5所示，其中圖 5（1）、（3）、（5）、（7）、（9）、（11）是理想狀況下間隙測量結(jié)果，圖 5（2）、（4）、（6）、（8）、（10）、（12）是實際工況下間隙測量結(jié)果。

▲圖4 車門測量點分布圖

▲圖5 理想狀態(tài)和實際工況下的車門間隙仿真進程報告

根據(jù)VisVSA的模擬結(jié)果，理想狀態(tài)下車門與側(cè)圍的間隙值基本上都能夠滿足設(shè)計要求。然而，考慮車門受重力影響后，測量結(jié)果不能滿足要求。

3 總結(jié)

雖然理想狀態(tài)下的車門與側(cè)圍間隙值基本上都能滿足設(shè)計要求，但在車門自身重力和外加載荷的作用下,前門結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，之前設(shè)定的尺寸公差已不再滿足設(shè)計要求。因此，在設(shè)計階段將車門結(jié)構(gòu)受力變形量考慮到公差設(shè)計分配當(dāng)中是十分有必要的，在測量過程中要保證采集數(shù)據(jù)的真實性，一定要在實際工況下進行測量。

在對車門剛度的研究方面，一般是采用實驗載荷來進行分析。由于周期、成本和樣品等問題，其得到的車門內(nèi)外板剛度實驗和分析結(jié)果與實際裝配條件下的車門剛度薄弱位置存在一定的偏差。在盡量將車門剛度控制在合理范圍內(nèi)的同時，車門變形后的尺寸公差未必能夠滿足設(shè)計、功能和安全性要求。而采用CAD和CAE系統(tǒng)相結(jié)合的計算機輔助公差設(shè)計與分析技術(shù)，是解決相關(guān)問題的一種有效手段。

［1］ 劉壯.基于VisVSA技術(shù)的汽車裝配公差分析［J］.材料工藝設(shè)備，2011（1）:57-61.

［2］ 陳國華.基于有限元的汽車車門靜態(tài)強度剛度計算與分析［J］.機械制造與自動化，2006，35（6）:21-24.

［3］ 劉彥軍.基于VisVSA軟件的汽車車門結(jié)構(gòu)公差設(shè)計研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2011.

［4］ 李紅艷,王翠,剛憲約.轎車車門的有限元分析 ［J］.機電工程技術(shù),2007，34（12）:22-24.

［5］ 劉壯.基于 VisVSA技術(shù)的汽車裝配公差分析［J］.汽車技術(shù)，2011（1）:57-61.

［6］ Charles Liu.Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods ［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering， 1997，119（8）.