綜合受力變形的車門公差設(shè)計(jì)與分析

□ 詹高偉 □ 李 明 □ 韋慶玥 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學(xué) 智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200072

目前，計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)的研究主要針對(duì)剛度大、變形小的剛性零件，忽略零件變形對(duì)裝配公差的影響。由于金屬薄壁件主要為柔性件，具有柔性大、剛度小的特點(diǎn)，剛性零件的公差分析理論不再完全適用。為更好地控制薄壁件裝配尺寸的精度，有必要對(duì)考慮薄壁件柔性特征的公差分析理論方法進(jìn)行深入研究。

薄壁件裝配的公差分析應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，在設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要考慮制造過程中零件受力變形對(duì)公差分配的影響，為合理的公差分配提供可靠依據(jù)，這樣才能有效估計(jì)部件實(shí)際裝配的效果，控制好重要尺寸的浮動(dòng)范圍，降低裝配件修正或返工的頻率。在設(shè)計(jì)階段，一般無法得知最終裝配件的具體誤差，需要用公差分析理論與建模來模擬最終裝配狀態(tài)。公差分析理論與方法在此起到了關(guān)鍵的作用，因此，為提高公差分析的質(zhì)量和分析速度，需將CAD、CAE和CAT技術(shù)結(jié)合起來對(duì)產(chǎn)品尺寸公差進(jìn)行分析。

筆者在以上幾個(gè)方面的背景下進(jìn)行研究，提出一種基于有限元模型用于薄壁裝配的公差分配方法。利用該方法，可以在滿足產(chǎn)品整體質(zhì)量和已知受力的情況下，在裝配前確定最大允許加工公差，這樣既可降低裝配件的制造成本，又可保證薄壁零件的焊接質(zhì)量。此方法為以薄壁件為主的汽車薄壁件沖壓工藝設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，并且對(duì)汽車行業(yè)有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

研究的目的是提供給設(shè)計(jì)師評(píng)估公差狀況的手段，通過有限元分析與計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，為設(shè)計(jì)師提供可靠、準(zhǔn)確、合理的公差分配依據(jù)，進(jìn)而縮短設(shè)計(jì)周期，降低計(jì)算成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 系統(tǒng)分析和技術(shù)路線

車門是汽車車身設(shè)計(jì)中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部件，它由多塊薄板沖壓焊接而成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。車門應(yīng)具有良好的密封性和碰撞安全性，以免產(chǎn)生噪聲、漏風(fēng)、灰塵的吸入以及車門卡死等現(xiàn)象，因此強(qiáng)度、剛度和幾何誤差是車門系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要參數(shù)［6］。

車門裝配過程一般要經(jīng)過以下4個(gè)步驟。

（1）需要進(jìn)行裝配的工件安裝在工裝上定位；

（2）用夾具進(jìn)行夾緊；

（3）對(duì)裝配件進(jìn)行連接或焊接操作；

（4）松掉夾具或工裝。

工件最終狀態(tài)受到幾種情況影響：不同工況（包括自由狀態(tài)和有工裝保證狀態(tài)）、焊接變形、自身重力等。

在對(duì)車門進(jìn)行公差設(shè)計(jì)和分析過程中，主要都是基于理想模型，未將車門實(shí)際裝配后的車門狀態(tài)置于總體裝配與分析過程中。由于脫離了實(shí)際裝配環(huán)境，因而通過車門內(nèi)外板剛度模擬實(shí)驗(yàn)得出的理論分析結(jié)果與實(shí)際裝配條件下的車門剛度薄弱位置常會(huì)存在一定的偏差。車門設(shè)計(jì)過程中的剛度設(shè)計(jì)與尺寸公差設(shè)計(jì)的分離，導(dǎo)致理想狀態(tài)下的理論分析與實(shí)際工況下的實(shí)際裝配存在一定的差距，從而可能會(huì)引起裝配時(shí)發(fā)生干涉和精度超標(biāo)等情況，繼而造成返工、浪費(fèi)、成本增加、生產(chǎn)進(jìn)度延誤等問題。

筆者研究的對(duì)象涉及到空間尺寸鏈及復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此整個(gè)尺寸鏈的分析計(jì)算過程相當(dāng)復(fù)雜。用有限元進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)細(xì)節(jié)信息的簡(jiǎn)化會(huì)影響到整體模型的完整性，因此如何簡(jiǎn)化或輕量化模型來滿足公差分析的要求，探索一種有效的解決方案，把有限元分析結(jié)果與公差分析結(jié)合起來也是研究的難點(diǎn)之一。

基于車門的以上特點(diǎn)，選用某轎車的前車門為例，研究和探索在有限元變形分析狀態(tài)下的公差分析方法，以說明其方法在實(shí)際生產(chǎn)制造中的作用和意義。圖1描述了綜合有限元變形分析的公差分析流程。

▲圖1 綜合受力變形的車門公差分析流程

2 方案實(shí)施

2.1 車門CAD幾何模型建立

轎車前車門是一個(gè)由多塊鈑金件通過點(diǎn)焊組合而成的中空薄壁板殼機(jī)構(gòu)。分析時(shí)首先采用UG軟件進(jìn)行幾何建模。在建模時(shí)，對(duì)車門內(nèi)板一些不影響分析結(jié)果的細(xì)小結(jié)構(gòu)作如下簡(jiǎn)化。

（1）僅考慮車門相關(guān)零部件的有限元建模，忽略與車門相連的車身其它部分；

（2）忽略內(nèi)飾板、黏性材料及車窗玻璃部件；

（3）省略車鎖和車門鉸鏈的建模，用簡(jiǎn)化的約束進(jìn)行代替；

（4）整個(gè)車門選用單一金屬材料。

為了便于公差的可視化和在后續(xù)分析過程中的提取，與公差分析、裝配關(guān)系相關(guān)的公差信息以及與產(chǎn)品生產(chǎn)制造相關(guān)的生產(chǎn)和制造信息，采用軟件提供的產(chǎn)品制造信息來進(jìn)行標(biāo)注。

2.2 車門有限元分析

車門是車身的重要組成部分，主要由殼體、附件和內(nèi)飾板3部分構(gòu)成，車門殼體由厚度0.8 mm左右的鋼板沖壓成外板和內(nèi)板再焊接而成。外板外形與整車協(xié)調(diào)，外板包著內(nèi)板，沿著門的邊緣形成一剛性箍。內(nèi)板是車門主要零件，根據(jù)需要在內(nèi)板上焊有加強(qiáng)板［2］。

由于轎車車門是具有復(fù)雜形狀的薄壁板殼結(jié)構(gòu)，如果直接采用節(jié)點(diǎn)、單元信息建立分析模型，十分困難。因此利用有限元分析軟件前處理模塊中提供的簡(jiǎn)化模型功能，在CAD實(shí)體模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)簡(jiǎn)化，從而方便快捷地形成有限元模型［4］。

針對(duì)薄壁零件特征，同時(shí)考慮到各計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件文件類型的兼容性，筆者采用的CAE軟件是NX Nastran 6.0。車門受重力影響的有限元分析流程如圖2所示，有限元分析結(jié)果如圖3所示，最后根據(jù)輸出變形后的各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來調(diào)整車門CAD模型。

▲圖3 NX Nastran有限元分析結(jié)果

▲圖2 NX Nastran有限元分析過程

2.3 車門總成公

差分析

將變形后的車門裝配體轉(zhuǎn)化為輕量化模型后導(dǎo)入公差分析軟件VisVSA中進(jìn)行分析。首先，導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件建模時(shí)標(biāo)注生產(chǎn)和制造信息，根據(jù)公差分析的需要新建或彌補(bǔ)公差特征；然后，在VisVSA中創(chuàng)建各零件之間的裝配關(guān)系和測(cè)量特征；最終，運(yùn)行公差仿真計(jì)算模塊，輸出結(jié)果報(bào)告，并針對(duì)分析報(bào)告中列出的問題進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案［1］［5］。

筆者分別選取車門邊緣和車身側(cè)圍上對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)，兩個(gè)點(diǎn)之間的距離大小即為車門與側(cè)圍的間隙值。基于受力變形量越大對(duì)尺寸公差影響越明顯的情況，在車門變形量最大位置處（車門左上角位置）定義了6組測(cè)量點(diǎn)，在VisVSA軟件中設(shè)置前門總成的測(cè)量點(diǎn)分布如圖4所示，測(cè)量點(diǎn)是為了控制車門與車身之間密封條壓縮量的間距，以保證車門的密封性能［3］。

對(duì)比理想狀態(tài)下和靜力作用下的車門尺寸公差分析，以評(píng)定理想狀態(tài)下公差設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)過程中是否能夠滿足安全性、密封性和功能性要求。VisVSA模型的偏差分析結(jié)果是基于設(shè)計(jì)目標(biāo)做出的，主要考察車門總成與其相鄰零件的面差和縫隙間距是否可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，以確認(rèn)是否達(dá)到了穩(wěn)健型性設(shè)計(jì)要求。

理想狀態(tài)下的6組車門間隙測(cè)量結(jié)果和實(shí)際工況下車門受靜力變形后的6組間隙測(cè)量結(jié)果如圖5所示，其中圖 5（1）、（3）、（5）、（7）、（9）、（11）是理想狀況下間隙測(cè)量結(jié)果，圖 5（2）、（4）、（6）、（8）、（10）、（12）是實(shí)際工況下間隙測(cè)量結(jié)果。

▲圖4 車門測(cè)量點(diǎn)分布圖

▲圖5 理想狀態(tài)和實(shí)際工況下的車門間隙仿真進(jìn)程報(bào)告

根據(jù)VisVSA的模擬結(jié)果，理想狀態(tài)下車門與側(cè)圍的間隙值基本上都能夠滿足設(shè)計(jì)要求。然而，考慮車門受重力影響后，測(cè)量結(jié)果不能滿足要求。

3 總結(jié)

雖然理想狀態(tài)下的車門與側(cè)圍間隙值基本上都能滿足設(shè)計(jì)要求，但在車門自身重力和外加載荷的作用下,前門結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，之前設(shè)定的尺寸公差已不再滿足設(shè)計(jì)要求。因此，在設(shè)計(jì)階段將車門結(jié)構(gòu)受力變形量考慮到公差設(shè)計(jì)分配當(dāng)中是十分有必要的，在測(cè)量過程中要保證采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，一定要在實(shí)際工況下進(jìn)行測(cè)量。

在對(duì)車門剛度的研究方面，一般是采用實(shí)驗(yàn)載荷來進(jìn)行分析。由于周期、成本和樣品等問題，其得到的車門內(nèi)外板剛度實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果與實(shí)際裝配條件下的車門剛度薄弱位置存在一定的偏差。在盡量將車門剛度控制在合理范圍內(nèi)的同時(shí)，車門變形后的尺寸公差未必能夠滿足設(shè)計(jì)、功能和安全性要求。而采用CAD和CAE系統(tǒng)相結(jié)合的計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)與分析技術(shù)，是解決相關(guān)問題的一種有效手段。

［1］ 劉壯.基于VisVSA技術(shù)的汽車裝配公差分析［J］.材料工藝設(shè)備，2011（1）:57-61.

［2］ 陳國華.基于有限元的汽車車門靜態(tài)強(qiáng)度剛度計(jì)算與分析［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006，35（6）:21-24.

［3］ 劉彥軍.基于VisVSA軟件的汽車車門結(jié)構(gòu)公差設(shè)計(jì)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2011.

［4］ 李紅艷,王翠,剛憲約.轎車車門的有限元分析 ［J］.機(jī)電工程技術(shù),2007，34（12）:22-24.

［5］ 劉壯.基于 VisVSA技術(shù)的汽車裝配公差分析［J］.汽車技術(shù)，2011（1）:57-61.

［6］ Charles Liu.Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods ［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering， 1997，119（8）.