低成本汽车车身试制夹具的敏捷开发

2021-10-30陈建顾成波王国春

汽车零部件 2021年10期

陈建，顾成波，王国春

(广西艾盛创制科技有限公司，广西柳州 545616)

0 引言

汽车制造业是我国经济重要支柱产业，体现了经济发展水平与国家竞争力。汽车的开发过程中，设计人员需要制作20～200台的样车进行工艺、法规实验、性能试验、标定等验证，是极其重要的一个环节。其中，焊接是汽车的四大工艺之一，车身的试制离不开焊接工艺及其配套的夹具。随着汽车消费进入消费4.0时代，汽车成为手机一类的快消品，加之百度、小米等互联网势力的介入,目前的汽车行业竞争逐步进入了白热化阶段，降低开发成本与缩短开发周期，已经成为行业面临的共同课题。

低成本、短周期的车身试制夹具，主要需要从柔性化、结构轻量化设计、标准化设计等方面进行研究，旨在提升效率，加强结构设计的一致性，缩短场内外制造夹具的时间，又好又快地满足车身样件的试制开发。

1 汽车车身试制夹具的柔性化

目前，在汽车制造工业中，焊接夹具是焊接工艺中不可或缺的重要部分，夹具设计的质量直接影响焊接效率与质量。样车的试制过程不同于大批量制造，有着很明显的缩量过程，柔性化的结构设计是试制夹具降低成本的首要考虑因素。

柔性焊接夹具是指一套夹具能够适应不同的多种焊件，广义的组合夹具到狭义的可调整夹具都能归入柔性的概念中。模块化夹具、可调整夹具以及组合夹具等柔性夹具已运用于各大汽车主机厂。日本丰田、美国通用、德国大众、东风汽车、长城汽车、上汽通用五菱等国际国内汽车公司通过车身焊接夹具采用了“模块化”“柔性化”设计、在柔性焊接线上布置多工位柔性焊接夹具、利用滑动导轨与移动设备开发了柔性焊接夹具等方式，提升了柔性化制造水平，促进了产量进一步提升。图1为柔性化夹具促进柔性化制造。

图1 柔性化夹具促进柔性化制造

上述柔性化的夹具基本是基于模块化思想开发的组合夹具。组合夹具的核心思想是，基于夹具标准化和模块化，由一整套根据经验在开发前已经制造好的标准夹具零部件，面向各类产品零部件，根据需求装配而成各类专用夹具，夹具使用完毕后，再拆散成元件和组件[1]。

组合夹具将各种夹具元件灵活地组合起来，节省了大量的设计、制造、调试时间，产品产出效率得到了较大的提高。同时，采用组合夹具完成工艺过程，可大幅度降低组装时间，减少了生产准备时间，大大提高了生产效率。

试制的夹具可以借用这一思维，但是仍然存在需要改进和提升的地方。主要体现为组合夹具与专用夹具相比，轻量化做得较差，且体积庞大、质量较大，使用与运转较为困难。

2 汽车车身试制夹具的轻量化设计

2.1 车身夹具的主要结构分解

试制夹具的开发，主要包含设计、制造、组装调试、使用等过程。一套完整的柔性试制焊接夹具一般包含若干夹紧单元(POST)、底板(BASE)、举升机构(LIFTER)以及旋转机构[2]。具体而言，主要由底板、过渡板、支撑座、定位块、限位块、夹钳、夹钳支座等组成，如图2所示。

图2 典型的试制夹具组成

底板的轻量化主要是降低板厚、提升材料的牌号，通过组合的方式实现不同项目之间的重复利用。提高重复利用降低成本的做法，主要是保证不同新车型零部件总成的定位和支撑结构安装的需要，在夹具底板平面上预留间隔为50 mm或100 mm。夹具的定位支撑结构通过连接板与底板连接，不同试制项目的定位机构通过更换连接板，以此来实现夹具底板的多次重复使用。

2.2 基于拓扑优化的低成本定位与夹紧机构设计

根据不同的定位与夹持策略，试制夹具需要在底板上设计开发许多定位机构与夹持机构，二者相加也称为托架。现有的托架设计开发，往往根据经验而未能做到精细化设计，因此，大多显得笨重且柔性化程度也不够，如图3所示。

图3 相对笨重的夹具托架部分结构

拓扑优化在汽车的整个开发流程中已经得到广泛地运用，并经过了实际的验证，取得了很好的效果。Optistruct是美国Altair公司的旗舰产品，是一个面向产品设计、分析和优化的有限元和结构优化的求解器，有着全世界最先进的优化技术，提供着最全面的优化方法。它通过退化法中的变密度法来进行拓扑优化，是目前认为能够解决普遍工程问题且求解最为稳健的方法[3]，主要流程如图4所示。

图4 轻量化优化设计流程

Optistruct支持全面的优化类型，包括概念设计阶段的优化和详细设计阶段的优化，可以解决各种复杂的结构优化问题，将各种产品性能响应，如质量、体积、质量比、体积比、应力、应变、位移等作为目标或者约束。

轻量化、更精细的结构有利于成本的降低。根据现有的结构，结合拓扑优化的手段进行结构优化。在UG软件中将夹具模型导出为STP文件，将STP文件导入到Hypermesh中，在Hypermesh中对夹具模型进行几何清理，然后对模型进行CAE建模，建模过程考虑以下的因素。

(1)单元类型。通过综合考虑单元分析类型与求解精度等，来选择单元类型。对模型中的夹具实体模型均采用六面体单元进行网格划分，六面体单元赋予CHEXA类型。

(2)单元尺寸。模型的单元数量由单元尺寸所决定，且分析时间和结果受网格数量影响。虽然网格数量越多，其计算的结果越精确，但是会由于数量较多而增加计算分析的时间。当网格单元尺寸小到一定程度时，其分析计算的精确度已经高至很难提高了，这时如果再将单元尺寸进一步地细化，不仅计算精度不会有很大的提高，而且计算分析时间还会大幅度的增加。文中由于仅对一个夹具进行分析，模型整体尺寸不大，考虑到模型精度，对其使用实体单元尺寸为4 mm的网格进行划分。

(3)模型连接。在夹具模型中，各个零件间的力通过它们间的连接进行传递，故在模型中对各个零件间的连接方式模拟也比较重要。在夹具连接中，主要连接方式为定位销、螺栓，文中定位销及螺栓连接方式均采用RBE2单元来模拟。

(4)完整的有限元模型。网格划分完毕后，整个夹具总单元数量为198 309个，节点数量为47 233个，某总成夹具有限元整体模型如图5所示。

图5 试制夹具托架的CAE模型

(5)对夹具零件的六面体单元赋予实体属性。由于文中对夹具仅进行静力线性分析，因此仅输入材料的线性阶段属性。此模型采用了45#钢，其密度为7.85 g/cm3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。

文中以质量最轻为目标，考虑总体刚度、夹持力等性能要求，对其进行拓扑优化设计，得到该夹具的空间材料布局，并根据优化结果对夹具进行减重。

经过8次拓扑优化迭代，各约束函数无限接近于设定值。迭代结束后，将拓扑优化结果文件导入后处理软件中，查看拓扑优化的密度分布图，即可得到夹具的优化结果。夹紧臂、定位块、夹紧块、夹钳上的密度均匀，而支座上的密度较稀疏，故可以对支座进行减重，因此支座是进行重点轻量化的零件，可以尝试将它去掉或者进行挖孔，如图6所示。

图6 试制夹具托架的结构轻量化优化迭代

根据多轮的拓扑可知，目前的夹具托架结构当中，肋板该区域受力较少，是可以精简、去掉的部分。结合工程解读，根据可加工的原则，夹具的托架可简化为如图7所示的结构。

图7 工程解读后的轻量化低成本拖架结构

优化结果将原夹具结构中的L型板优化为T型座，立板优化为两支座，由原来L型座一侧有支撑肋，另一侧与立板进行连接，优化为不带支撑肋的T型座，T型座通过两侧的孔与支座进行连接，而立板则是进行了拆分，将其分成两块支座，通过定位销与螺栓与T型座进行定位连接。该优化结果不仅大大减少了质量、空间，而且其结构性能较优化前更好，并利用CAE仿真进行使用性能的复核。

刚度仿真中，优化前纵向刚度27 027 N/mm，侧向刚度3 247 N/mm;优化后纵向刚度23 810 N/mm，侧向刚度4 098 N/mm，可见优化后夹具刚度有所提升。夹具在不同工况下的位移云图如图8和图9所示。

图8 优化前后z向刚度位移云图对比

图9 优化前后x向刚度位移云图对比

3 试制夹具的敏捷开发

样车试制开发周期较短，夹具设计与制造均需要实现敏捷开发。基于客户的产品3D数模，焊点资料，GD&T图，技术协议，焊接流程图，零件清单，结合“六点定位原理”，对试制夹具依据“由上而下”“先主后次”的顺序设计。其中，“上”指的是以产品的基准孔和基准面作为起点，“下”指的是连接定位销或支撑块的一些过渡块、支座、底板等。“主”指的是GD&T图里面基准孔、基准面；“次”指的是一些辅助定位。

大体结构初步设计完成后，接下来的步骤是：整合，优化，细化。细化阶段主要是基于已有的标准件，结合实际的使用需求，考虑人机互动进行结构的详细设计，得到最终的敏捷开发车身试制夹具结构。图10为敏捷开发支撑的成套车身某总成试制夹具。