周磊 張輕松 危學(xué)兵 郝加杰 李偉 仝偉

【摘 要】通過(guò)對(duì)某車翼子板裙板離空問(wèn)題進(jìn)行分析，確定了可能造成離空的影響因素，使用田口方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并采用CAE軟件Moldflow對(duì)汽車翼子板裙板的變形進(jìn)行分析。通過(guò)分析變形圖及信噪比和Mean值變化曲線，得出不同因子對(duì)零件信噪比的影響，最終確定翼子板裙板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，在解決翼子板裙板離空問(wèn)題的同時(shí)達(dá)到“裙板材料統(tǒng)一”的目的。

【關(guān)鍵詞】翼子板裙板;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;Moldflow

【中圖分類號(hào)】U463.83 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）05-0049-05

0 引言

汽車翼子板是遮蓋車輪的車身外板，翼子板裙板具有材料薄、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，屬于典型的覆蓋件[1]。翼子板裙板包括裙板、車身翼子板、前保等零件，需要與周邊零件配合協(xié)調(diào)、過(guò)渡平順，形成整車特有的美感，這就要求各零件在裝配過(guò)程中必須完美嵌合[2]。

在某車型造車過(guò)程中，一直存在翼子板裙板與車身離空的現(xiàn)象，甚至在造車后大批量車型又出現(xiàn)離空問(wèn)題，這會(huì)極大地影響客戶駕駛體驗(yàn)并造成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的抱怨，極端情況下還可能造成翼子板與車身分離，導(dǎo)致汽車整體平衡被破壞，引發(fā)汽車故障。由于車身開(kāi)孔無(wú)法更改，模具也已經(jīng)加工完成，只能通過(guò)調(diào)整工藝、調(diào)整卡扣座高度、增加彈性模量抑制變形的方法控制翼子板裙板離空問(wèn)題，這樣會(huì)導(dǎo)致該產(chǎn)品對(duì)材料和尺寸長(zhǎng)短的變化非常敏感，無(wú)法從根本上解決翼子板裙板離空問(wèn)題。

本文針對(duì)某車型翼子板裙板離空感知問(wèn)題，主要研究了造成翼子板裙板離空問(wèn)題的7種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使用CAE軟件Moldflow進(jìn)行模擬分析，對(duì)比找出影響系數(shù)最大的參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，用穩(wěn)健的設(shè)計(jì)降低波動(dòng)源（材料批次、尺寸等）的影響。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，消除材料因素對(duì)變形的影響，進(jìn)而做到裙板材料統(tǒng)一，并解決翼子板裙板的離空問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析及方案設(shè)定

1.1 問(wèn)題分析

從汽車模型設(shè)計(jì)到裝配產(chǎn)車的整個(gè)流程中，有諸多因素會(huì)導(dǎo)致裙板發(fā)生離空，例如供應(yīng)商質(zhì)量、模具、工藝、材料和裝配方式等因素，但部分因素屬于不可控因素，無(wú)法人為地控制，因此我們無(wú)法對(duì)其進(jìn)行研究。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理論來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是可以進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化的，本文研究的重點(diǎn)在于通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)降低波動(dòng)源的影響，控制裙板信噪比，從而降低對(duì)零件變形的影響。

從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)逆向思考把所有造成離空的因素都找出來(lái)，并通過(guò)分析確定哪個(gè)因素對(duì)變形的影響最大。最終確定汽車翼子板裙板發(fā)生離空問(wèn)題，主要是在3種情形下造成的。圖1為翼子板裙板發(fā)生離空的3種不同情形下，零件內(nèi)可能存在的問(wèn)題。第一種情形是裙板頂出，這主要與卡扣座高、鈑金孔安裝面高或者筋條高有關(guān);第二種情形是零部件安裝不到位，主要與卡扣易斷裂、卡扣距離遠(yuǎn)、卡扣拉不住或卡扣與doghouse存在間隙有關(guān);第三種情形是零件發(fā)生變形，這與零件自身軟、工藝長(zhǎng)、材料流動(dòng)不順暢或外力作用有關(guān)。

通過(guò)分析可將上述影響因素歸為兩類：控制因子和噪聲因子（如圖2所示）?？刂埔蜃邮侵缚梢杂晌覀冏灾骺刂频倪^(guò)程或設(shè)計(jì)參數(shù)，而噪聲因子是指在生產(chǎn)過(guò)程中很難控制或控制成本很高的過(guò)程或設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。通過(guò)對(duì)翼子板裙板離空問(wèn)題幾種情形的分析，在造成離空問(wèn)題的諸多因素中，控制因子主要有7種，分別是卡扣距離外邊緣的距離、材料彈性模量、卡扣之間距離、橫向筋條、縱向筋條、卡扣形式及卡扣座高度。這7種控制因子在零件上所處結(jié)構(gòu)位置如圖3所示。噪聲因子主要為裙板在公差范圍內(nèi)的長(zhǎng)度變化。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

確定上述每個(gè)控制因子結(jié)構(gòu)類型的選擇范圍（見(jiàn)表1）。每個(gè)控制因子都有兩組結(jié)構(gòu)類型，其中因子A在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了防止鈑金發(fā)生拉裂，在保證鈑金結(jié)構(gòu)不改變的前提下，卡扣距離外邊緣的距離僅可移動(dòng)0.5 mm。因子F的結(jié)構(gòu)類型分為方形卡扣和圓形卡扣兩種，其中方形卡扣可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)從而對(duì)變形有影響，而圓形卡扣不會(huì)翻轉(zhuǎn)。其他因子都在可控范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整改變。

對(duì)于噪聲因子，其結(jié)構(gòu)類型的選擇范圍主要有兩種（見(jiàn)表2）。噪聲因子主要為裙板長(zhǎng)度，在實(shí)際裝車過(guò)程中，若裙板零件偏長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致裝配安裝后產(chǎn)生曲面離空，故將裙板長(zhǎng)度的第二種結(jié)構(gòu)設(shè)定為零件走上公差，打長(zhǎng)1 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

影響因素中共有7個(gè)控制因子，每個(gè)因子有2種結(jié)構(gòu)類型，如果做排列組合分析，則需要做27=128次試驗(yàn)，加上2個(gè)噪聲因子，共計(jì)需要做256次試驗(yàn)。這種試驗(yàn)方法雖然全面，但工作量很大，尤其當(dāng)因子數(shù)目較多時(shí)，想做全面試驗(yàn)實(shí)際上是不可能的。另一種方法為簡(jiǎn)單對(duì)比法，即改變一個(gè)因素而固定其他所有因素，得出較優(yōu)解后，在原來(lái)的基礎(chǔ)上將其固定并改變其他因素，以此類推。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)次數(shù)少，但代表性較差，得出的結(jié)果不一定是所有組合中最好的。為了減輕工作量并保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。田口試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最早由日本著名的統(tǒng)計(jì)學(xué)家和質(zhì)量管理專家田口玄一提出，是研究多因素、多水平的常用方法，它利用正交表挑選實(shí)驗(yàn)條件，能在最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)內(nèi)得出多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的最佳組合[4]。與傳統(tǒng)正交試驗(yàn)相比，田口方法引入了信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）[5]。針對(duì)7個(gè)因子，每個(gè)因子兩種水平的情形，采用L8（27）正交試驗(yàn)列表進(jìn)行分析，由256次實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化為8次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表3，表中數(shù)據(jù)1、2分別表示為控制因子的結(jié)構(gòu)類型。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用CAE軟件Moldflow進(jìn)行模擬分析。圖4為8種實(shí)驗(yàn)方案下裙板Z方向的變形結(jié)果圖。由圖4可知，方案1在位置2處的Z方向變形量最大，最大值為2.098 mm;方案4在位置2處的Z方向變形量最小，最小值為1.114 mm。

圖5為8種實(shí)驗(yàn)方案的S/N值和Mean值。通過(guò)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，B、C、E、F 4個(gè)控制因子的信噪比波動(dòng)最大，說(shuō)明這4個(gè)因子都會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)信噪比選大，均值選小的原則，應(yīng)選擇最佳方案為B1、C2、E2、F2，而A、D、G 3個(gè)控制因子的信噪值波動(dòng)最小，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)變形的影響不大。

我們期望通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低控制因子B即材料波動(dòng)的影響，然而從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，控制因子B的信噪比波動(dòng)很大，即材料因素對(duì)翼子板裙板的變形影響很大，這有悖于我們的期望目標(biāo)。主要原因是考慮到鈑金出模的影響，控制因子A卡扣到外邊緣距離僅移動(dòng)了0.5 mm，因此需要對(duì)裙板結(jié)構(gòu)再次優(yōu)化，降低控制因子B即材料的影響，從而實(shí)現(xiàn)“裙板材料統(tǒng)一”的目標(biāo)。

2.2 二次實(shí)驗(yàn)

控制其他因子不變，通過(guò)優(yōu)化裙板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，把安裝點(diǎn)向外移動(dòng)5 mm，即卡扣座距離外邊緣的距離為25 mm，重新做4次實(shí)驗(yàn)，控制因子A結(jié)構(gòu)選擇范圍見(jiàn)表4。

圖6為二次實(shí)驗(yàn)的裙板Z方向的變形量。由圖6可知，方案2、5、6在位置2處的Z方向變形量明顯減小，降低了裙板離空的風(fēng)險(xiǎn)。圖7為二次實(shí)驗(yàn)的S/N值和Mean值。對(duì)比圖5和圖7可知，對(duì)信噪比影響最大的因子從“材料彈性模量B”變?yōu)椤翱劬嚯x外邊緣距離A”，整體均值由0.7降低至-0.024，這表明整體因素對(duì)翼子板裙板變形影響顯著變小。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)優(yōu)化裙板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)控制因子A卡扣距離外邊緣距離進(jìn)行改進(jìn)，從距離外邊緣30 mm改為距離外邊緣25 mm，導(dǎo)致對(duì)信噪比影響最大的控制因子從B變?yōu)锳，能極大降低結(jié)構(gòu)因素對(duì)翼子板裙板變形的影響。

（2）對(duì)信噪比影響最大的控制因子從B變?yōu)锳，而A因子是可以由模具設(shè)計(jì)來(lái)控制的，這將直接減少材料對(duì)變形的影響，從而實(shí)現(xiàn)“裙板材料統(tǒng)一”的目標(biāo)。進(jìn)一步推斷認(rèn)為，卡扣距離外邊緣越近，對(duì)材料彈性模量的依賴就會(huì)越低，應(yīng)盡可能優(yōu)化鈑金結(jié)構(gòu)，在一定程度范圍內(nèi)，讓卡扣距離外邊緣越近越好。

（3）根據(jù)圖7，按照信噪比選大，均值選小的原則可知A、C、D、G 4個(gè)因子都會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生很大的影響，最佳方案為A2、C2、D2、G1，即卡扣間距離80 mm優(yōu)于120 mm，考慮到模具成本，可在拐彎處布置80 mm的卡扣間距;橫向筋條的影響高于縱向筋條，后續(xù)設(shè)計(jì)應(yīng)以橫向筋條優(yōu)先，若空間足夠，可加上縱向筋條起加強(qiáng)作用。對(duì)于卡扣形式，圓形卡扣對(duì)零件翻轉(zhuǎn)有很好的限制作用，空間足夠的情況應(yīng)盡可能選擇圓形卡扣。

（4）因子A2、C2、D2、G1為設(shè)計(jì)必要項(xiàng)，因子B1、E2、F2可作為設(shè)計(jì)參考項(xiàng)。通過(guò)對(duì)比預(yù)測(cè)信噪比和實(shí)測(cè)信噪比，最終確定最優(yōu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案為A2、B1、C2、D2、E2、F2、G1。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周杰，陽(yáng)德森，羅征志，等.翼子板裙板成形有限元分析及坯料優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2006（1）：9-12.

[2]吳萌，李能文，楊苑君，等.汽車塑料翼子板的應(yīng)用及可行性分析[J].纖維復(fù)合材料，2019，36（2）：49-53.

[3]陳斌.車輛側(cè)門分縫線平順性的控制因子研究及正交優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（2）：89-92.

[4]溫嘉斌，于嵐.田口方法在永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24（5）：64-69.

[5]賈寓真，吳懿萍，劉剛，等.基于田口方法的雙金屬帶鋸條鋸切參數(shù)優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2019（8）：78-81，55.