陳建，顧成波，王國春

(廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545616)

0 引言

汽車制造業(yè)是我國經(jīng)濟重要支柱產(chǎn)業(yè)，體現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展水平與國家競爭力。汽車的開發(fā)過程中，設(shè)計人員需要制作20～200臺的樣車進行工藝、法規(guī)實驗、性能試驗、標定等驗證，是極其重要的一個環(huán)節(jié)。其中，焊接是汽車的四大工藝之一，車身的試制離不開焊接工藝及其配套的夾具。隨著汽車消費進入消費4.0時代，汽車成為手機一類的快消品，加之百度、小米等互聯(lián)網(wǎng)勢力的介入,目前的汽車行業(yè)競爭逐步進入了白熱化階段，降低開發(fā)成本與縮短開發(fā)周期，已經(jīng)成為行業(yè)面臨的共同課題。

低成本、短周期的車身試制夾具，主要需要從柔性化、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、標準化設(shè)計等方面進行研究，旨在提升效率，加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的一致性，縮短場內(nèi)外制造夾具的時間，又好又快地滿足車身樣件的試制開發(fā)。

1 汽車車身試制夾具的柔性化

目前，在汽車制造工業(yè)中，焊接夾具是焊接工藝中不可或缺的重要部分，夾具設(shè)計的質(zhì)量直接影響焊接效率與質(zhì)量。樣車的試制過程不同于大批量制造，有著很明顯的縮量過程，柔性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計是試制夾具降低成本的首要考慮因素。

柔性焊接夾具是指一套夾具能夠適應不同的多種焊件，廣義的組合夾具到狹義的可調(diào)整夾具都能歸入柔性的概念中。模塊化夾具、可調(diào)整夾具以及組合夾具等柔性夾具已運用于各大汽車主機廠。日本豐田、美國通用、德國大眾、東風汽車、長城汽車、上汽通用五菱等國際國內(nèi)汽車公司通過車身焊接夾具采用了“模塊化”“柔性化”設(shè)計、在柔性焊接線上布置多工位柔性焊接夾具、利用滑動導軌與移動設(shè)備開發(fā)了柔性焊接夾具等方式，提升了柔性化制造水平，促進了產(chǎn)量進一步提升。圖1為柔性化夾具促進柔性化制造。

圖1 柔性化夾具促進柔性化制造

上述柔性化的夾具基本是基于模塊化思想開發(fā)的組合夾具。組合夾具的核心思想是，基于夾具標準化和模塊化，由一整套根據(jù)經(jīng)驗在開發(fā)前已經(jīng)制造好的標準夾具零部件，面向各類產(chǎn)品零部件，根據(jù)需求裝配而成各類專用夾具，夾具使用完畢后，再拆散成元件和組件[1]。

組合夾具將各種夾具元件靈活地組合起來，節(jié)省了大量的設(shè)計、制造、調(diào)試時間，產(chǎn)品產(chǎn)出效率得到了較大的提高。同時，采用組合夾具完成工藝過程，可大幅度降低組裝時間，減少了生產(chǎn)準備時間，大大提高了生產(chǎn)效率。

試制的夾具可以借用這一思維，但是仍然存在需要改進和提升的地方。主要體現(xiàn)為組合夾具與專用夾具相比，輕量化做得較差，且體積龐大、質(zhì)量較大，使用與運轉(zhuǎn)較為困難。

2 汽車車身試制夾具的輕量化設(shè)計

2.1 車身夾具的主要結(jié)構(gòu)分解

試制夾具的開發(fā)，主要包含設(shè)計、制造、組裝調(diào)試、使用等過程。一套完整的柔性試制焊接夾具一般包含若干夾緊單元(POST)、底板(BASE)、舉升機構(gòu)(LIFTER)以及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)[2]。具體而言，主要由底板、過渡板、支撐座、定位塊、限位塊、夾鉗、夾鉗支座等組成，如圖2所示。

圖2 典型的試制夾具組成

底板的輕量化主要是降低板厚、提升材料的牌號，通過組合的方式實現(xiàn)不同項目之間的重復利用。提高重復利用降低成本的做法，主要是保證不同新車型零部件總成的定位和支撐結(jié)構(gòu)安裝的需要，在夾具底板平面上預留間隔為50 mm或100 mm。夾具的定位支撐結(jié)構(gòu)通過連接板與底板連接，不同試制項目的定位機構(gòu)通過更換連接板，以此來實現(xiàn)夾具底板的多次重復使用。

2.2 基于拓撲優(yōu)化的低成本定位與夾緊機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)不同的定位與夾持策略，試制夾具需要在底板上設(shè)計開發(fā)許多定位機構(gòu)與夾持機構(gòu)，二者相加也稱為托架?，F(xiàn)有的托架設(shè)計開發(fā)，往往根據(jù)經(jīng)驗而未能做到精細化設(shè)計，因此，大多顯得笨重且柔性化程度也不夠，如圖3所示。

圖3 相對笨重的夾具托架部分結(jié)構(gòu)

拓撲優(yōu)化在汽車的整個開發(fā)流程中已經(jīng)得到廣泛地運用，并經(jīng)過了實際的驗證，取得了很好的效果。Optistruct是美國Altair公司的旗艦產(chǎn)品，是一個面向產(chǎn)品設(shè)計、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的求解器，有著全世界最先進的優(yōu)化技術(shù)，提供著最全面的優(yōu)化方法。它通過退化法中的變密度法來進行拓撲優(yōu)化，是目前認為能夠解決普遍工程問題且求解最為穩(wěn)健的方法[3]，主要流程如圖4所示。

圖4 輕量化優(yōu)化設(shè)計流程

Optistruct支持全面的優(yōu)化類型，包括概念設(shè)計階段的優(yōu)化和詳細設(shè)計階段的優(yōu)化，可以解決各種復雜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，將各種產(chǎn)品性能響應，如質(zhì)量、體積、質(zhì)量比、體積比、應力、應變、位移等作為目標或者約束。

輕量化、更精細的結(jié)構(gòu)有利于成本的降低。根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，結(jié)合拓撲優(yōu)化的手段進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在UG軟件中將夾具模型導出為STP文件，將STP文件導入到Hypermesh中，在Hypermesh中對夾具模型進行幾何清理，然后對模型進行CAE建模，建模過程考慮以下的因素。

(1)單元類型。通過綜合考慮單元分析類型與求解精度等，來選擇單元類型。對模型中的夾具實體模型均采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，六面體單元賦予CHEXA類型。

(2)單元尺寸。模型的單元數(shù)量由單元尺寸所決定，且分析時間和結(jié)果受網(wǎng)格數(shù)量影響。雖然網(wǎng)格數(shù)量越多，其計算的結(jié)果越精確，但是會由于數(shù)量較多而增加計算分析的時間。當網(wǎng)格單元尺寸小到一定程度時，其分析計算的精確度已經(jīng)高至很難提高了，這時如果再將單元尺寸進一步地細化，不僅計算精度不會有很大的提高，而且計算分析時間還會大幅度的增加。文中由于僅對一個夾具進行分析，模型整體尺寸不大，考慮到模型精度，對其使用實體單元尺寸為4 mm的網(wǎng)格進行劃分。

(3)模型連接。在夾具模型中，各個零件間的力通過它們間的連接進行傳遞，故在模型中對各個零件間的連接方式模擬也比較重要。在夾具連接中，主要連接方式為定位銷、螺栓，文中定位銷及螺栓連接方式均采用RBE2單元來模擬。

(4)完整的有限元模型。網(wǎng)格劃分完畢后，整個夾具總單元數(shù)量為198 309個，節(jié)點數(shù)量為47 233個，某總成夾具有限元整體模型如圖5所示。

圖5 試制夾具托架的CAE模型

(5)對夾具零件的六面體單元賦予實體屬性。由于文中對夾具僅進行靜力線性分析，因此僅輸入材料的線性階段屬性。此模型采用了45#鋼，其密度為7.85 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

文中以質(zhì)量最輕為目標，考慮總體剛度、夾持力等性能要求，對其進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，得到該夾具的空間材料布局，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對夾具進行減重。

經(jīng)過8次拓撲優(yōu)化迭代，各約束函數(shù)無限接近于設(shè)定值。迭代結(jié)束后，將拓撲優(yōu)化結(jié)果文件導入后處理軟件中，查看拓撲優(yōu)化的密度分布圖，即可得到夾具的優(yōu)化結(jié)果。夾緊臂、定位塊、夾緊塊、夾鉗上的密度均勻，而支座上的密度較稀疏，故可以對支座進行減重，因此支座是進行重點輕量化的零件，可以嘗試將它去掉或者進行挖孔，如圖6所示。

圖6 試制夾具托架的結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化迭代

根據(jù)多輪的拓撲可知，目前的夾具托架結(jié)構(gòu)當中，肋板該區(qū)域受力較少，是可以精簡、去掉的部分。結(jié)合工程解讀，根據(jù)可加工的原則，夾具的托架可簡化為如圖7所示的結(jié)構(gòu)。

圖7 工程解讀后的輕量化低成本拖架結(jié)構(gòu)

優(yōu)化結(jié)果將原夾具結(jié)構(gòu)中的L型板優(yōu)化為T型座，立板優(yōu)化為兩支座，由原來L型座一側(cè)有支撐肋，另一側(cè)與立板進行連接，優(yōu)化為不帶支撐肋的T型座，T型座通過兩側(cè)的孔與支座進行連接，而立板則是進行了拆分，將其分成兩塊支座，通過定位銷與螺栓與T型座進行定位連接。該優(yōu)化結(jié)果不僅大大減少了質(zhì)量、空間，而且其結(jié)構(gòu)性能較優(yōu)化前更好，并利用CAE仿真進行使用性能的復核。

剛度仿真中，優(yōu)化前縱向剛度27 027 N/mm，側(cè)向剛度3 247 N/mm;優(yōu)化后縱向剛度23 810 N/mm，側(cè)向剛度4 098 N/mm，可見優(yōu)化后夾具剛度有所提升。夾具在不同工況下的位移云圖如圖8和圖9所示。

圖8 優(yōu)化前后z向剛度位移云圖對比

圖9 優(yōu)化前后x向剛度位移云圖對比

3 試制夾具的敏捷開發(fā)

樣車試制開發(fā)周期較短，夾具設(shè)計與制造均需要實現(xiàn)敏捷開發(fā)?；诳蛻舻漠a(chǎn)品3D數(shù)模，焊點資料，GD&T圖，技術(shù)協(xié)議，焊接流程圖，零件清單，結(jié)合“六點定位原理”，對試制夾具依據(jù)“由上而下”“先主后次”的順序設(shè)計。其中，“上”指的是以產(chǎn)品的基準孔和基準面作為起點，“下”指的是連接定位銷或支撐塊的一些過渡塊、支座、底板等?！爸鳌敝傅氖荊D&T圖里面基準孔、基準面；“次”指的是一些輔助定位。

大體結(jié)構(gòu)初步設(shè)計完成后，接下來的步驟是：整合，優(yōu)化，細化。細化階段主要是基于已有的標準件，結(jié)合實際的使用需求，考慮人機互動進行結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計，得到最終的敏捷開發(fā)車身試制夾具結(jié)構(gòu)。圖10為敏捷開發(fā)支撐的成套車身某總成試制夾具。

圖10 敏捷開發(fā)支撐的成套車身某總成試制夾具

4 結(jié)束語

多品種、小批量是現(xiàn)階段汽車樣車開發(fā)的顯著特點。文中通過模塊化、柔性化開發(fā)思路，利用CAE拓撲優(yōu)化手段，實現(xiàn)了車身試制夾具的敏捷開發(fā)。所開發(fā)的夾具結(jié)構(gòu)，具備可快速拆卸、精度高、成本低、設(shè)計制造周期短、輕量化等特點，很好地實現(xiàn)了樣車車身的低成本、柔性化制造。