基于VisVSA软件尾门侧尾灯结构设计优化

董丙闯

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

0 前言

随着生活水平的提高，消费者对汽车静态感知质量的关注越来越高，各汽车企业逐步认识到，要从产品设计等源头方面去进行产品质量控制。根据Montgomery 等人分析，80%的制造问题是由于设计不当造成的，装配过程中大量的尺寸问题都源于设计阶段没有充分考虑工艺能力[1]。而零件的匹配效果受自身的定位方式、尺寸精度，关联零件偏差以及焊接工艺能力等因素的影响。如果只是简单的提高零件的公差要求，会相应的增加生产成本的投入，并且不一定会达到预期效果。因此，各公司都希望通过优化定位、优化产品结构、采用简易工装或者先进的制造工艺等方法缩短尺寸链环、减少公差累积[2]。因此，轿车制造的尺寸偏差控制日益成为工业界和学术界的热点研究问题之一[3]。

本文基于三维偏差分析软件VisVSA， 以某车型尾门侧尾灯安装匹配为例，通过尺寸偏差分析手段，优化尾灯定位方案，从而提高设计合理性，减少后期制造调试验证时间，降低成本。

1 三维偏差分析软件及其算法

三维偏差分析软件是通过动态模拟装配方式反映总成零件在实际装配中的情况，进而进行建模计算。目前主要的三维偏差分析软件有VSA、3DCS，其都是基于蒙特卡洛模拟法的三维偏差分析软件。蒙特卡罗算法的基本思想为：当我们所要求解的问题是某个随机事件的期望值，或者为某种随机变量所要出现的概率时， 运用现有某种“实验” 的方法，通过随机事件所要出现的频次估算这一随机变量将要出现的概率，或能够解得我们所要求的这个随机事件一些数学特征，如均值标准差等，并将它作为我们所要求解问题的解[4]。用蒙特卡罗模拟法进行公差分析的具体步骤为[5]：

（1）明确各组成环的分布规律；

（2）根据计算精度要求，确定随机模拟次数N；

（3）根据各组成环尺寸的分布规律和分布范围，分别对其进行随机抽样，从而得到一组已知组成环和封闭环尺寸的随机抽样（x1，x2，x3，…，xn）；

（4）将随机抽样（x1，x2，x3，…，xn）代入公差函数，计算未知的封闭环或组成环尺寸，得到该尺寸的一个子样；

（5）将步骤（3）和（4）重复N次，即可得到封闭环尺寸的N个子样，构成一个样本；

（6）对求解的封闭环或组成环样本进行统计处理，从而确定封闭环尺寸的平均值、标准差及公差等。

目前，蒙特卡罗模拟法进行运算流程图[5]见下图1所示：

图1 蒙特卡洛法计算流程图

2 尾门侧尾灯三维偏差分析模型建立

尾门侧尾灯装配关系以及与周圈零件匹配关系如图2所示，其装配偏差只与尾门总成以及自身尺寸偏差有关，但是其装配质量的好坏，会影响到其与尾门外装饰板、尾门总成、车身侧尾灯等零件DTS匹配符合性。因此，通过三维偏差分析软件VisVSA，对尾门侧尾灯定位结构进行分析优化，可以减少后期制造匹配难度，提升效率，节约成本。

图2 尾门侧尾灯安装匹配关系

2.1 尾灯定位方案

（1）在设计阶段根据造型及安装匹配要求制定出初版的定位方案，如图3所示：选择与尾门安装匹配的灯体安装面A1-A4为主基准，控制X方向平移，绕Y/Z方向的旋转；与尾门总成4方位孔B对应的灯体卡扣做为第二基准B，控制沿Y/Z方向的平移；与尾门总成上2方位孔C对应的灯体螺柱选为第三基准，控制绕X方向旋转。根据尾灯定位方案，创建尾灯偏差分析模型，因为图纸基准B/C是要求模拟对手件装配，所示尺寸是按照钣金件要求建立。

图3 尾灯初版定位方案

（2）创建完成尾灯的模型，再根据尾灯的安装定位点，对应选定尾灯底座加强板上的安装点，从而创建尾门分析模型。

2.2 测量点选取及模型建立

（1）根据尾灯和尾门匹配关系及DTS设计要求，为了全面反映尾灯安装状态，分别在与尾门外装饰板、尾门总成、车身侧尾灯位置各取两个点观察尾灯安装后对应位置尺寸的波动情况，并在尾门上取X3、X4两点观察尾灯与尾门的DTS超差情况，如图4所示。

图4 测量点选取

（2）根据尾灯和尾门的GD&T图纸要求，在VisVSA软件中创建尾灯到尾门的偏差分析模型，如图5所示。

图5 尾灯与尾门偏差分析模型结构树

3 偏差分析结果及优化

3.1 尾灯初版定位方案分析结果

（1）运行偏差分析模型，分析结果见表1所示。从运行结果可以看出，整个尾灯上超差较多的测量点（X1/X2/X3/X6/Y1/Y2/Z1）是分布在靠近车身侧尾灯匹配区域，超差概率最高达到17.16%>5%（由概率统计学知，当样本数为5 000 次，置信区间因子为0.0392时，置信度可达95.00%[6]），且CPK较低，该区域零件设计稳健性差。分析影响该区域状态的影响因子，得知尾灯底座加强板上A3对整个结果的影响最大。单纯的加严该位置的公差并不能完全解决该问题，且会增加制造难度及成本。

表1 尾灯初版定位分析结果

（2）图6所示是尾门侧尾灯与尾门DTS超差情况，该位置DTS要求是：1.5±0.75。从偏差分析结果查看，也是靠近车身侧尾灯位置超差较多，与前文问题对应，且影响因子最大的是尾灯底座加强板上A3，其次是A4、A1。

图6 尾灯与尾门DTS偏差分析结果

（3）在与车身尾灯匹配位置，尾灯只有一个安装点A4，且处于偏下位置，安装点覆盖零件的范围不足，在安装时很容易受其它安装点的影响，造成该区域零件状态波动。

3.2 定位方案优化

（1）为了提高尾门侧尾灯与车身侧尾灯匹配区域零件尺寸状态及稳定性，需要在该位置增加安装点。因为造型已经确定，尾灯位置无法移动，而受尾门限位器的影响，此位置无法布置两个螺栓打紧点，因此保留原螺栓打紧点，另外在尾灯螺栓上下两侧各增加一个定位，如图7所示，避免螺栓打紧时，零件出现偏转或者翘起。

图7 优化后尾灯定位结构

（2）根据优化的尾灯定位，通过建立VSA模型，运行结果如表2所示。整个零件的超差概率得到了极大的改善，超差概率小于5%，CPK数值也得到较大提升，零件安装匹配质量显著提高。

表2 尾灯定位优化分析结果

（3）根据优化的尾灯定位结构，模拟分析尾灯和尾门的DTS，结果提升较大。对于仍然有部分超差6.92%>5%的区域，通过查看影响因子，零件包边面的面轮廓度贡献率占52.59%，通过适当提升零件质量（面轮廓度由1.5提高为1.2），超差概率降为4.48%<5%，满足设计要求，如图8所示。因此，尾灯采用优化后的定位结构及适当提高零件质量可以很好的满足设计要求。

图8 尾灯与尾门DTS偏差分析结果

4 结语

通过借助三维偏差分析软件VisVSA，对某车型尾门侧尾灯定位方案进行分析，根据分析结果优化了尾灯定位方案，提高了尾灯的安装匹配精度，从而提升与周圈零件的匹配质量。

通过三维偏差分析软件等虚拟装配手段，可以提前发现设计问题，帮助合理定义尺寸配合要求及优化零件定位方案，优化结构设计，辅助将问题在设计阶段解决，从而减少实车阶段尺寸配合问题发生，缩短整车开发周期，降低成本，进而提升产品质量和竞争力。