虚拟偏差分析软件在整车DTS开发中的应用分析

李伟

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 545007）

0 引言

随着中国经济的飞速发展，国内汽车市场的销量也让中国成为了全球最大的汽车消费国，各品牌车型之间的竞争已达白热化。作为普通的消费者，大部分人在购车过程中第一眼看到的整车外观会留下很重要的印象，而尺寸技术规范DTS（Dimensional Technical Specification）设计的好坏决定着整车外观的间隙面差水平，是静态感知质量的关键一环。如果DTS设计的公差过严，会造成汽车装配工艺精度要求的提高，导致成本上升。如果公差过松，会导致整车静态感知质量较差，从而降低客户的满意度和购买欲，因此需要通过虚拟偏差分析软件进行DTS工程可行性分析[1]。

1 目标DTS设定

尺寸工程贯穿了整车研发的全过程，包括项目前期的造型设计、产品设计、工装设计、零件制造和生产装配等过程，涉及到静态感知质量分析、零部件定位策略（CDLS）、DTS开发、虚拟偏差分析、夹检具设计、测量设计以及几何尺寸和公差开发GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing）等。

DTS开发从项目初期阶段就开始介入，一般在完成造型A面设计之后我们就需要把DTS确定下来发给造型区域，以便调整A面的间隙面差。本文以某车型的后扰流板与后挡风玻璃间隙为DTS验证目标，介绍虚拟偏差分析软件的应用。车辆后扰流板总成、后挡风玻璃和行李舱盖总成的装配工艺如图1所示。装配顺序是先将后挡风玻璃装配在行李舱盖上，然后装配后扰流板总成。

图1 扰流板装配工艺

图2 DTS目标值

在新项目立项之后，我们根据新项目的市场定位确定竞品车型，然后对竞品车型在售成品车进行分析。整车后扰流板与后挡风玻璃匹配区域的控制目标主要是2个零件分缝处的间隙要求，此处也是客户视角容易观察到的位置。如果此处间隙大，会增加雨天出现漏水的风险，需严加控制。我们对国内竞品车型进行测量分析得出结论，目前此处间隙国内主流制造装配工艺水平大致为 1.5±1.5 mm，因此设定此区域的DTS目标值（图2）。图中的“Gap”为间隙，名义值和竞品车型一致为1.5 mm，但是公差收严为±1.0 mm，“Gap”下的“∥”为平行度要求，要求最大值减去最小值小于1.5 mm。

2 用虚拟偏差分析软件验证目标

2.1 虚拟仿真偏差分析简介

虚拟仿真尺寸偏差也叫尺寸链仿真分析，这是一种工程工具，是近几年开始在全球各大知名主机厂（如大众、通用和福特等）频繁使用的先进技术。目前世界上使用较多的有3DCS和VisVSA两种软件，这两者都是通过数理统计的计算方法来模拟仿真分析和评估在设计和制造过程中零部件的制造偏差及装配工艺偏差是如何影响产品各种“关键产品特征（KPC）”的。

2.2 虚拟仿真尺寸偏差分析的原理

3DCS和VisVSA软件都是利用蒙特卡洛原理来对总成零件进行成千上万次模拟装配，然后测量模拟装配结果得出多组数据。再用统计学正态分布原理对数据进行计算处理，得出标准偏差（δ）、工序性能（CP）和工序能力（CPK）等关键指数[2]（图3）。

图3 模拟装配计算结果

2.3 创建3D模型进行虚拟偏差分析

2.3.1 定位分析

后扰流板和后挡风玻璃的定位策略都可以遵循N-2-1定位原则（N≥3），一般在零件投影面积最大的面上选取N个点，这样就可以控制2个方向的自由度（扰流板控制U/D面，挡风玻璃控制F/A面）。然后再用2个定位销或者孔控制其他4个方向的自由度，这样就可以完全控制零件的6个自由度[3]。

2.3.2 公差分配

按照以往的经验，通常扰流板和挡风玻璃的基准点公差都是0，然后我们在扰流板上选取3个测量点均匀分布在左、中、右处，这3个测点的公差设定为±0.5 mm。同时我们在后挡风玻璃上选取对应的3个点，公差也设定为±0.5 mm。这样，通过测量模型上点和点之间的距离变化就可以判断DTS设定是否合理。行李舱盖总成由于用了焊接工艺，所以上面的扰流板和后挡风玻璃的安装点公差设定为±0.75 mm[4]。

2.3.3 建立模型

按照上述扰流板、挡风玻璃、行李舱盖定位和公差策略进行建模，把相关零件数模导入。然后，通过赋予基准、测量点公差，来创建装配过程和测量点要素（图4）。分别对扰流板、挡风玻璃和行李舱盖赋予公差，然后创建装配步骤，把扰流板和挡风玻璃装配到行李舱盖上（装配基准逐一对应），最后创建三组点对点的测量要素。

图4 建模结构树

图5 模型运行结果

表1 模型超差率

2.4 模拟装配结果分析

我们根据上述模型模拟装配2 000次，结果如图5所示。可以看到左、中、右3个测点的正态分布图基本一致，三个测点超差概率接近10%，比较高，都是负偏差概率较大，且CPK指数不高。这种情况下装配结果达不到DTS目标值，具体数值如表1所示。

2.5 公差优化

以中间的测点M2为例，查看影响这个测点偏差的因子（图6）。从图中可以看到，行李舱盖上的扰流板Z2安装点影响率将近60%，超过第二个因子7倍，因此如果提升这个点的公差，可以把超差率显著降低。当前行李舱盖上这个点的公差是±0.75 mm，如果我们把行李舱盖上扰流板的3个安装点公差控制在±0.5 mm以内，重新运行模拟装配，模拟得到的超差率如表2所示。装配超差率降低了很多，已低于5%，满足要求。将这个结果反馈到上游区域，在开发行李舱盖的GD&T图纸时把扰流板安装点公差设置为±0.5 mm，才能较好满足扰流板与挡风玻璃DTS目标值。

图6 影响偏差的因子

表2 新模型运行结果

4 结束语

通过以上案例可以看到，在DTS开发阶段，运用VisVSA等虚拟偏差分析软件可以最大限度地验证DTS目标可行性，同时也可以针对影响较大的因子进行修正，然后反馈给其他区域。这可以避免后续制造阶段需要修模、工装调整等补救措施。在当前国内竞争越来越激烈的汽车行业下，能够熟练掌握该类型软件可以帮助主机厂降低研发成本，提高车型的尺寸精度，以达到消费者的购买期望。