徐明洋，闞天水，張強(qiáng)

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汽車柔性件尺寸分析方法研究

徐明洋，闞天水，張強(qiáng)

（愛(ài)馳汽車有限公司，上海 200082）

隨著汽車工業(yè)尺寸工程長(zhǎng)足的發(fā)展，推進(jìn)了3D尺寸鏈分析在汽車行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。然而常規(guī)的3D尺寸鏈分析僅適用于剛性零件的裝配，無(wú)法對(duì)柔性件進(jìn)行精確的尺寸分析，常常引起剛性分析結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)實(shí)際匹配狀態(tài)的問(wèn)題。文章通過(guò)運(yùn)用3DCS FEA柔性模塊，對(duì)塑料翼子板進(jìn)行三維尺寸鏈分析，有效評(píng)估尺寸目標(biāo)設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)對(duì)裝配工藝進(jìn)行了優(yōu)化。最后，文章通過(guò)樣車驗(yàn)證了3DCS FEA柔性尺寸鏈分析方法的合理性。

柔性件；塑料翼子板；尺寸鏈；3DCS；FEA

1 前言

研究表明，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段需要投入的成本非常低，大概占總成本的5%，但設(shè)計(jì)階段的工作卻能決定產(chǎn)品成本的60%~70%[1]，而尺寸的合理設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一。因此尺寸開發(fā)的目標(biāo)為：在能夠滿足功能和匹配要求的情況下，允許公差最大化以降低制造成本。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心之一是如何正確分析產(chǎn)品主要組件的尺寸鏈關(guān)系從而設(shè)定合理的公差與配合，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品品質(zhì)[2]。尺寸鏈分析的長(zhǎng)足發(fā)展，助推了3D尺寸鏈分析在汽車行業(yè)中的快速發(fā)展, 不僅在傳統(tǒng)的車身內(nèi)外飾而且在汽車底盤尺寸分析中得到了充分應(yīng)用[3]。然而常規(guī)的3D尺寸鏈分析僅適用于剛性零件的裝配，無(wú)法對(duì)柔性件進(jìn)行精確的尺寸分析，常常導(dǎo)致剛性分析結(jié)果無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際匹配狀態(tài)。

本文示例中的塑料翼子板柔性較大、打緊點(diǎn)較多、過(guò)約束嚴(yán)重且打緊安裝方式對(duì)最終的裝配效果影響較大。常規(guī)尺寸分析難以準(zhǔn)確計(jì)算出該零件對(duì)周圍零部件的匹配效果。本文運(yùn)用3DCS FEA柔性模塊對(duì)塑料翼子板進(jìn)行了三維尺寸鏈分析，找到了處理柔性零部件尺寸分析的新方法；同時(shí)針對(duì)塑料翼子板的裝配方法進(jìn)行了細(xì)致研究，找出了最合理的安裝方式；最后在實(shí)車上進(jìn)一步驗(yàn)證了本論文的中提出的分析方法的可靠性。

2 裝配與工藝

裝配尺寸鏈的自動(dòng)生成是計(jì)算機(jī)輔助尺寸鏈分析計(jì)算中的關(guān)鍵技術(shù)[4]。裝配尺寸鏈的生成依賴于零件間配合關(guān)系信息和零件內(nèi)部的尺寸信息的表達(dá)和存儲(chǔ)[5]。為了確保尺寸分析的準(zhǔn)確性和可靠性，數(shù)據(jù)搭建需完全與裝配工藝保持一致，如圖1所示。

圖1 裝配工藝路線圖

塑料翼子板的安裝定位方式較為復(fù)雜，配合關(guān)系與裝配點(diǎn)較多，如圖2所示。其中A1，A2，a7，B1，B2，b3采用前門模擬工裝進(jìn)行定位；A3，a4，a5，a6采用前部發(fā)蓋間隙調(diào)整工裝進(jìn)行定位；C1打緊到發(fā)蓋鉸鏈上；c2，c3，c4，D1，D2，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3直接打緊到車身上；D3，D4，E，G定位到充電口安裝支架上。

圖2 翼子板安裝定位布置圖

由于裝配點(diǎn)較多，容易產(chǎn)生各種過(guò)約束與形變。為了進(jìn)一步研究塑料翼子板對(duì)總裝匹配狀態(tài)的綜合影響，本文研究了兩種分析方法：剛性尺寸鏈分析法和柔性尺寸鏈分析法。

3 塑料翼子板匹配研究

3.1 剛性尺寸鏈分析法

如圖3所示，將翼子板與前門以及翼子板與發(fā)蓋的DTS (Dimensional Technical Specification 尺寸技術(shù)規(guī)范，下文均簡(jiǎn)稱為DTS)作為研究對(duì)象。翼子板與發(fā)蓋DTS定義為：間隙3.0+/-0.5mm，面差-0.25+/-0.75mm（發(fā)蓋低）；翼子板與前門DTS定義為：間隙3.75+/-0.5mm，面差0+0/-1.0mm。

圖3 測(cè)量點(diǎn)位置示意圖

對(duì)于一般剛性零件而言，只要滿足定位3-2-1要求，零件就能精確定位。塑料翼子板柔性較大且定位安裝點(diǎn)較多，普通的3-2-1裝配法會(huì)舍棄較多的安裝定位點(diǎn)。為了更精確的計(jì)算塑料翼子板的形變量，將塑料翼子板按照區(qū)域進(jìn)行分割，選取對(duì)應(yīng)位置且對(duì)DTS影響較大的定位點(diǎn)進(jìn)行裝配分析。如圖4所示，將塑料翼子板定位按照與前門和前蓋配合區(qū)域進(jìn)行分配。其中實(shí)線標(biāo)注的基準(zhǔn)為前門配合區(qū)域基準(zhǔn)體系，虛線標(biāo)注的基準(zhǔn)以及A2&B1為發(fā)蓋配合區(qū)域基準(zhǔn)體系。以兩套基準(zhǔn)體系分別搭建數(shù)模，對(duì)應(yīng)兩個(gè)區(qū)域的匹配尺寸鏈分析。

圖4 翼子板定位方式選取

通過(guò)3DCS基礎(chǔ)模塊進(jìn)行剛性尺寸鏈分析，塑料翼子板與前門以及發(fā)蓋區(qū)域的DTS分析結(jié)果如圖6所示。

3.2 柔性尺寸鏈分析法

3DCS有限元柔性模塊(3DCS FEA CM)是3DCS結(jié)合有限元的方法精確模擬柔性零件以及裝配變形的高級(jí)模塊。該模塊可以模擬生產(chǎn)制造中的變形情況，諸如夾持、焊接、松開夾持、打緊順序調(diào)整以及施加外力等情況。該模塊以零件的剛度矩陣為依據(jù)計(jì)算變形，剛度矩陣是由專業(yè)的有限元軟件計(jì)算得到的。

3DCS FEA CM模塊能夠分析圖2中所示的所有安裝定位點(diǎn)，并模擬裝配工藝過(guò)程，分析出該零部件的尺寸公差累計(jì)、重力形變以及扭曲變形綜合結(jié)果。模型搭建整個(gè)裝配工藝過(guò)程思路如圖5所示。

圖5 3DCS FEA CM模塊數(shù)模搭建步驟

數(shù)模搭建完畢后運(yùn)行FEA仿真分析，分析結(jié)果如圖6所示。

對(duì)比剛性尺寸鏈分析與柔性尺寸鏈分析結(jié)果，對(duì)于翼子板相關(guān)DTS，柔性尺寸鏈分析要比剛性尺寸鏈分析結(jié)果差。剛性尺寸鏈分析對(duì)影響因素有所取舍，難以完全反應(yīng)綜合匹配真實(shí)狀態(tài)；而柔性尺寸鏈分析考慮進(jìn)來(lái)的影響因素較多，從貢獻(xiàn)因子的區(qū)別來(lái)看，F(xiàn)EA柔性分析結(jié)果基本包含了所有的影響因素。

圖6 剛性分析與柔性分析結(jié)果對(duì)比

3.3 裝配順序優(yōu)化

從圖6的分析結(jié)果可以看出，現(xiàn)有翼子板裝配工藝匹配效果不佳，公差累計(jì)較大，且部分位置超差嚴(yán)重。由于塑料翼子板的柔性較大，不同的安裝順序?qū)σ碜影宓淖罱K裝配狀態(tài)會(huì)有不同的影響。為了進(jìn)一步提高翼子板的匹配效果，對(duì)裝配工藝安裝順序進(jìn)行了優(yōu)化，方案如圖7所示。

圖7 翼子板裝配順序工藝方案

對(duì)三個(gè)方案分別進(jìn)行建模分析，將分析結(jié)果統(tǒng)一匯總并進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。方案1和2比原打緊順序綜合效果要好，特別是前門與翼子板面差優(yōu)化效果明顯。方案1與2結(jié)果相近，但在不同位置各有優(yōu)劣。

圖8 翼子板打緊順序優(yōu)化對(duì)比

4 樣車實(shí)物驗(yàn)證

為更近一步驗(yàn)證本文分析方法的可靠性與正確性，選取10輛樣車，按照3種裝配方案分別進(jìn)行裝配，然后測(cè)量出每個(gè)方案的測(cè)量報(bào)告，共計(jì)3X10份。將測(cè)量結(jié)果取公差平均值，繪制公差分布圖，如圖9所示。

圖9 樣車測(cè)量公差分布圖

可以得出，優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2比原設(shè)計(jì)裝配順序綜合匹配效果更好，而優(yōu)化方案2比優(yōu)化方案1的效果更好，實(shí)車測(cè)量的結(jié)果一定程度上驗(yàn)證了本文分析方法的可靠性與正確性。

雖然樣車數(shù)據(jù)能驗(yàn)證分析的可靠性與正確性，但由于樣本數(shù)較少、樣車尺寸穩(wěn)定性差、工裝裝配工藝所限，測(cè)量結(jié)果還需在量產(chǎn)階段通過(guò)大量數(shù)據(jù)進(jìn)一步尺寸驗(yàn)證。

5 小結(jié)

本文以塑料翼子板為例，闡述了針對(duì)柔性零部件的一種可靠的尺寸鏈分析方法。通過(guò)3DCS FEA模塊對(duì)柔性件進(jìn)行尺寸鏈分析，相比剛性模塊更能反映真實(shí)的狀態(tài)；同時(shí)通過(guò)對(duì)柔性件在不同裝配工藝條件下進(jìn)行柔性尺寸鏈分析，為尋求最優(yōu)的裝配工藝方案提供了強(qiáng)有力的理論支持，并得到了有效驗(yàn)證。隨著汽車制造水平和對(duì)車身匹配要求的不斷提高，尺寸鏈的柔性分析方法將會(huì)應(yīng)用到更多更深的層次中去。

[1] 盧華軍.汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段成本控制技術(shù)研究.[J]重慶大學(xué),2011: 10-20.

[2] 劉學(xué)成.淺析產(chǎn)品設(shè)計(jì)中公差與配合及尺寸鏈分析的應(yīng)用.[J]科學(xué)與財(cái)富,2017(18):30-35.

[3] 闞天水,徐明洋,徐旭松,吉庭婷.3DCS在汽車底盤尺寸與公差分析中的應(yīng)用.[J]現(xiàn)代制造工程,2017 (5) :97-101.

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[5] 薛文濤.數(shù)字化裝配建模技術(shù)的研究.[M]南京理工大學(xué)出版社, 2004:5-25.

Research on Dimensional Analysis Method of Automotive Flexible Parts

Xu Mingyang, Kan Tianshui, Zhang Qiang

( AI-WAYS Automotive Co., Ltd, Shanghai 200082 )

With the wide development of dimensional engineering in automotive industry, 3D dimensional analysis has been used more and more frequently in automotive industry. However, general 3D dimensional tolerance chain analysis is only suitable for rigid parts, and it is particularly difficult for flexible parts, and rigid analysis results could not be matched with actual status. In this paper, according to 3DCS FEA flexible module, three-dimensional tolerance chain analysis of plastic fender is carried out to effectively evaluate the rationality of the dimensional target, and the final assembly process is optimized. Finally, the paper validates the rationality of the 3DCS FEA flexible dimensional tolerance chain analysis method through prototype cars.

Flexible Part; Plastic Fender; Dimensional Tolerance Chain; 3DCS; FEA

A

1671-7988(2019)03-167-03

U466

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1671-7988(2019)03-167-03

U466

徐明洋，就職于愛(ài)馳汽車有限公司，碩士，美國(guó)ASME GD&T高級(jí)認(rèn)證專家，全國(guó)產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，研究方向?yàn)槠嚦叽绻こ?。闞天水，就職于愛(ài)馳汽車有限公司，碩士，美國(guó)ASME GD&T高級(jí)認(rèn)證專家，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚦叽绻こ獭?/p>

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.055