基于3DCS的车身薄板件基准点优化研究

罗锦耀 雷露露

【摘 要】文章以上汽通用五菱汽车股份有限公司某车型侧围外板基准点优化的尺寸偏差结果为分析对象，对车身柔性薄板件的基准定位点选取位置进行了深入的分析与探讨，结合三维尺寸偏差分析虚拟软件3DCS的柔性模块（FEA），考虑重力、检具摆放方式等因素对侧围外板基准选择的影响，从而验证基准点的正确选取对零件单件的尺寸稳健性及基准一致性的重要作用和意义。

【关键词】车身薄板件;3DCS（FEA柔性偏差分析模块）;基准一致性;稳健性

【中图分类号】U466 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）08-0139-04

0 引言

在汽车消费市场的不断驱动下，上汽通用五菱汽车股份有限公司（简称SGMW）全力推进乘用化转型，对汽车的外观尺寸质量控制，从宏观的尺寸工程驱动，细分到更明确的感知质量驱动。在这一前提下，如何利用3DCS的柔性偏差分析模块优化车身薄钣金的基准点布置，从而确保基准一致性控制薄板件的尺寸稳健性，提高汽车外覆盖件（薄钣金）的尺寸质量控制，对客户高度关注的感知质量提升具有重要的现实意义。本文以SGMW某车型侧围外板基准点优化的尺寸偏差结果为分析对象，对车身柔性薄板件的基准定位点选取位置进行了深入的分析与探讨，为其他车身柔性薄板件的基准点优化提供可靠的理论参考。

1 背景介绍

传统车身外覆盖件零件基准点选择存在如下问题。

（1）零件基准点的选择参照以往项目经验制定，没有理论依据支撑。项目经验多数考虑的是检具摆放方式、焊接工装与焊接工艺限制、零件成型形状大小、零件重点配合区等，对零件自身形状设计与重力的影响没有充分考虑。

（2）零件模具供應商只有在模具出件后才会发现零件基准点需要调整，影响尺寸质量问题原因分析和延长问题整改周期。GD&T图纸锁定发布，模具出件后，零件上检具，由于零件在检具上摆放方式不一致，重力影响、零件成型问题，基准不够完善，导致局部关键位置下榻或回弹，影响零件真实尺寸状态判断。主机厂与零件模具供应商会针对基准点选取的位置进行扯皮，影响零件尺寸整改进度，影响项目开发进度，增加整改成本。

（3）基准点后期的变更无法统一到焊接工装设计中，无法确保基准一致性。当主机厂根据零件在检具的基准点问题做适当调整后发现，厂内焊接工装无法在对应位置增加工装支撑或夹紧，无法实现基准的一致性，无法确保零件尺寸稳健性在焊接时的有效控制。

2 3DCS的柔性偏差分析模块介绍

2.1 3DCS FEA Compliant Modeler介绍

3DCS FEA Compliant Modeler是3DCS用于精确模拟柔性零件及装配变形的高级模块，使得在建立3D偏差分析模型时，利用有限元方法，精确模拟柔性零部件的尺寸偏差。该模块可以模拟生产制造中变形的情况，如夹持、焊接、松开夹持及施加外力等情况。该模块以输入软件的零件的刚度矩阵为依据计算变形，刚度矩阵是通过专业的有限元软件计算得出。

传统的偏差分析是以零部件为“刚体”或“非变性体”，并在此基础上建立偏差分析模型的方法，这种方法意味着每个装配体内的零件在经历装配工艺过程中不会弯曲或扭曲，如焊接、夹具夹持或松开夹具夹持。虽然一些机械零部件在以上情况下不会发生变形，但是对于大部分的汽车零部件，如薄钣金、塑料等零件会遭受制造工艺的较大影响，从而改变尺寸完整性与形状。有限元分析是用来确定机械对象与系统的应力和位移，它是预测分析领域向前推进的基础。

DCS的柔性偏差分析模块假设与局限：{1}DCS模型中所用到的点必须在每个柔性模型中被创建。理论上，刚体模型是完整的。{2}每个柔性零件对应一个有限元网格和刚度矩阵文件。{3}模型中的所有点都应与有限元网格节点对应，否则会产生偏差。图形显示用RSM方法逼近。{4}动画模拟的时候有限元网格是要被用到的。FEA系统数据流如图1所示。

2.2 3DCS软件与计算原理介绍

本文分析应用3DCS软件，软件采用蒙特卡罗模拟法进行公差模拟分析。蒙特卡罗算法的基本思想如下：当所求解问题是某种随机事件出现的概率或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作为问题的解。用蒙特卡罗算法求解公差问题，其实就是把求封闭环尺寸公差的问题转化为求解一个随机变量的统计问题来处理。确定封闭环尺寸公差，采用随机模拟和统计实验的方法求解，用这种方法得到的结果比较符合实际情况。

3 某车型侧围外板基准点三维偏差分析模型研究

本文以侧围外板作为车身薄板件代表进行3DCS FEA偏差分析举例。整车中，侧围外板零件尺寸大，材料厚度为0.65 mm，与侧围外板匹配零件多，零件尺寸质量要求高，在车身的柔性薄板件中是典型代表。

本文的研究对象是针对基准点的优化，所以在应用3DCS FEA模型创建时，只进行零件的装配定位、重力矩阵的载入来研究检具基准的偏差与重力对侧围外板关键测点的影响。

由图2可知，柔性薄板装配的有限元仿真过程包括4个步骤：装配零件有限元网格划分、装配仿真边界条件施加、装配模型计算及装配仿真结果提取。

3.1 装配零件有限元网格划分

使用Hypermesh软件对侧围外板零件进行有限元网格划分（如图3所示），并生成相应的.inp网格文件。

3.2 装配仿真条件施加

（1）根据GD&T图纸要求，将侧围的相关基准信息输入模型（如图4所示）。

（2）对侧围外板进行基准装配与添加有限元数据。第一步：先进行基础装配（如图5所示），挑选侧围外板上刚性最强的三角区进行基础定位装配。第二步：利用之前的网格文件求解刚度矩阵与重力矩阵（如图6所示）。第三步：载入刚度矩阵与重力矩阵（如图7所示）。

3.3 检具基准装配方案对比

由于侧围外板零件大、基准多，基准点夹紧的先后顺序对测点结果的影响比较大，为了便于查看结果的对比性，基准的装配采用局部分块的装配方案装配。并且，仅针对项目阶段问题反馈较明显的局部位置侧围外板（尾灯配合区域）进行基准方案的对比分析。

图8是项目初期制定的基准，基准装配的顺序：①→②→③→④。图9是侧围外板零件模具出件后，根據需要增加了ADD点的基准，基准装配的顺序：①→②→③→④→⑤→⑥。

3.4 创建观察测点

由于此项目对基准的增加主要是针对尾灯区域的测量数据的变化，所以观察测点位置选定如图10的MP15、MP16、MP17。

3.5 验证方案测点测量结果对比

方案一：侧围后部与尾灯配合区域测点MP15～17位置超差概率稍大，测点稳健性稍差（如图11所示，检具基准面的公差为±0.2）。

方案二：侧围后部与尾灯配合区域测点MP15～17由于增加基准ADD后，使得测点稳健性明显提高（如图12所示）。

4 某车型侧围外板检具测量结果与模型结果对比分析

项目初期采取方案一进行基准定位时，零件侧围外板（尾灯配合区域）、Y向面差偏低（见测点9S4～9S7），零件局部位置自然下沉（如图13所示）。

侧围外板模具回厂时，模具供应商反馈侧围外板A基准定位不够充分，导致局部部位受零件设计结构与重力影响，外板局部位置自然下沉，要求对GD&T图纸进行基准的补充与更新。

补充增加基准ADD后，零件侧围外板（尾灯配合区域）测量结果如图14所示，局部下沉的情况得到了明显改善。

检具测量数据实际反馈的结果与侧围外板建模从定性上基本吻合。

5 优化建议

基于3DCS模拟的结果与零件在检具上的实际表现，尺寸项目组初步拟定在图示位置增加基准垫块，并通过3DCS FEA 模拟增加基准后侧围外板这两个部位的型面变化。经过模型的调试，最终确认了新增基准点的具体位置，同时在侧围外板的焊接工装同样的位置增加支撑，确保基准的一致性。

6 结语

本文仅针对侧围外板局部（尾灯配合区域）的基准设定利用3DCS FEA柔性模块做了初步分析，仅是对零件的布局基准点进行优化;如果考虑数学模型的介入，将3DCS FEA柔性模块与数学模型结合运用，就可以在项目初期全面分析出零部件的基准定位的选择，减少目前由于基准选择不充分和选取位置不当带来的更改、对项目开发带来成本的增加及验证周期加长的困扰。

本文提供了一种设想成功的可能性，可以利用软件的帮助，根据零部件的几何形状、检具摆放方式、重力影响、焊接工装与焊接工艺限制及零部件成型特性的约束，全面恰当地选择零部件的基准，在前期利用软件完成验证和输出，确保项目初期基准一致性的实现，减少主机厂项目开发过程中的整改时间、整改成本。

参 考 文 献.

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[3]马振海，李涛，胡敏.基于偏差分析的前照灯区域尺寸链优化[J].汽车工程师，2013（2）.

[责任编辑：陈泽琦]