汽車白車身開發(fā)中同步工程的應用

申丹鳳

（湖南湖大艾盛汽車技術開發(fā)有限公司）

傳統(tǒng)的白車身開發(fā)流程通常是階梯型串行結構，各階段的工作按順序進行，一個階段的工作完成后，下一階段的工作才開始，某一階段的輸入是上一階段的輸出。由于傳統(tǒng)的設計過程中存在大量的設計修改和返工情況，越是在產品生命周期后期發(fā)現(xiàn)的缺陷，其修改周期比概念設計時發(fā)現(xiàn)缺陷的修改周期越長，因為其反饋修改結果依然依原來的執(zhí)行路線順序執(zhí)行下來，造成最終修改成本及總設計成本升高，最主要的是直接影響產品開發(fā)周期，推遲產品上市時間。為了更大程度地縮短白車身開發(fā)周期，必須在產品開發(fā)流程的第1步采用同步工程（SE）理念對開發(fā)流程進行重組，針對產品的開發(fā)過程建立并行流程模型。文章運用SE方法對白車身三大工藝進行了分析。

1 同步工程分析的內容

一輛全新汽車的開發(fā)大約需要36個月的時間，主要包括創(chuàng)意評審、總體設計、白車身數(shù)據設計、試制試驗到小批量生產及批量生產5個階段。在白車身設計階段需要充分考慮零件的成型性，制定合理的焊接順序及焊接工藝，考慮涂裝的質量及工藝方法，通過SE分析提供可執(zhí)行的質量控制文件，用來指導后期的生產制造。

SE分析主要包括CAE分析、工藝分析以及試制階段的驗證與反饋3個方面。CAE分析對產品的結構斷面、接頭形式、材料選擇、料厚確定及加強方式等方面進行靜態(tài)、模態(tài)、安全、剛度、強度和疲勞等諸多因素的綜合分析和評價，為設計方案提供技術支持。工藝分析用來為設計者提供沖壓、焊裝、涂裝及總裝等方面的工藝可行性技術支持。因此，概念設計、詳細設計及方案評價都是在面向裝配和制造的并行設計知識庫的支持下進行，實現(xiàn)了全局優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)設計中因對設計以外的其他過程因素考慮較少而造成反復設計的缺點。在試制前確定需要驗證的項目，在試制時對機器的參數(shù)進行調節(jié)，并逐一驗證，將需要修改的地方反饋到研發(fā)部門進行早期設計修改[1]。圖1示出SE的效果曲線。

圖1 車輛開發(fā)同步工程效果曲線

2 SE在沖壓工藝中的應用

2.1 沖壓SE

沖壓SE通過先進的三維造型，模擬仿真和有限元分析軟件，將汽車產品設計問題最大限度地消除在前期三維數(shù)模設計階段，大大縮短了后期模具制造的時間。沖壓工藝貫穿于新車開發(fā)的全過程，從了解參考車的工藝開始，到樣車的制作完成，都要求沖壓工藝人員的參與。它要求沖壓工藝人員與其他開發(fā)人員一起集成地、同步地參與汽車設計。沖壓工藝人員主要解決車身的工藝問題，在早期造型設計時，相關的工藝工程師就開始介入，將生成過程中可能出現(xiàn)的問題盡可能在造型階段和工程設計階段發(fā)現(xiàn)并解決，從而避免了到模具階段才發(fā)現(xiàn)問題，可以縮短傳統(tǒng)設計過程中用于彌補工藝問題的補充設計階段，通過與其他部門人員的良好協(xié)作及其信息的及時交流，使工藝問題解決在萌芽狀態(tài)[2]。沖壓SE人員從產品品質、模具結構、沖壓工藝性、生產線布置及成本等因素出發(fā)，針對關鍵零件借助計算機輔助工程（CAE）進行沖壓工藝分析，完成CAE分析報告和工程變更報告（ECR）。主要工作包括：判斷可能產生變形不足的部位及確定解決措施；判斷沖擊線和滑移線產生部位及確定解決措施；判斷起皺產生部位及確定解決措施；判斷開裂產生部位及確定解決措施；預測可能產生的線偏移，進行回彈分析及確定解決措施[3]。沖壓SE工作流程，如圖2所示。

圖2 白車身沖壓同步工程工作流程

2.2 典型案例

目前普遍采用有限元數(shù)值模擬沖壓過程并預示其成型性。本節(jié)是在開發(fā)過程中針對前門內板來做成型性分析工作，采用沖壓有限元分析軟件AutoForm進行前門內板的拉延過程模擬。預測沖壓過程中可能出現(xiàn)的成型缺陷。從仿真結果分析產品的沖壓可行性，并提出合理可靠的修改建議。汽車前門內板拉延過程仿真，如圖3所示。

圖3 汽車前門內板拉延過程仿真

經沖壓仿真分析，從成型性結果可以看出，前門內板在沖壓過程中可能出現(xiàn)多處成型問題。由于側圍內板成型問題較多，此處不一一列舉，以其中的問題A和B為例進行結果分析并提出相應的修改建議，如圖4和圖5所示。

圖4 汽車前門內板A處問題修改方案

圖5 汽車前門內板B處問題修改方案

從圖4可以看出，由于數(shù)模斷差比較大，A處開裂起皺嚴重，消除斷差后成型性明顯改善。這樣大大減少了后期調模的次數(shù)。從圖5可以看出，B處產生嚴重起皺現(xiàn)象，影響汽車質量，為了保證該處在實際沖壓時的成型性達到質量要求，沖壓SE分析提出局部加吸皺筋，如圖5c所示。

3 SE在焊接工藝中的應用

3.1 焊接SE

焊接SE工作是在整車開發(fā)過程中，分別在造型設計階段、工程設計階段和樣車試制階段以白車身為對象進行的包括車身結構、成本、工藝難度、主斷面、焊接可行性及定位夾緊計劃等焊接工藝性分析[4]。焊接SE的目標就是通過焊接SE活動，使白車身數(shù)據在零件的可焊接性、焊接強度與可靠性上有很大提高，從而提高焊接后白車身的質量及穩(wěn)定性，縮短整車的開發(fā)周期，最終達到降低成本和提高主機廠市場競爭力的目的。焊接SE工作流程，如圖6所示。

圖6 白車身焊接同步工程工作流程

3.2 典型案例

要對白車身左前邊梁延伸板與前保險杠固定板左支架進行點焊，經測量，其焊點間距僅有20 mm，焊鉗電極直徑一般為13 mm和16 mm，理論上是可以實現(xiàn)的。對于小零件來講，這樣的間距在焊接時可以使用，但對于大零件上連續(xù)的焊點，除第1個焊點外，后面的焊點會因為前面的焊點連接而出現(xiàn)分流，導致整體焊接強度不足。建議將此零件焊點距離加大到40 mm。

4 SE在涂裝工藝中的應用

4.1 涂裝SE

涂裝SE工作分為造型設計階段、工程設計階段與樣車試制階段。造型設計階段的主要工作是制定初始過程流程圖，而數(shù)模主要是分析車身外觀面是否對涂裝作業(yè)產生影響；工程設計階段主要以設計部門提供的三維數(shù)模數(shù)據為基礎進行多方面的分析，其中涵蓋了電泳成膜性分析及焊縫密封膠作業(yè)性分析等內容，分析內容是這3個階段最多的，范圍也是最廣的，其中還會應用計算機軟件進行生產過程模擬，大大提高了分析結論的準確性；樣車試制階段的主要工作是與生產線緊密連接的，同時為新產品量產開辟道路，試制過程既能對SE過程進行驗證，也能衡量所在生產線的生產能力。涂裝SE工作流程，如圖7所示。

圖7 白車身涂裝同步工程工作流程

4.2 典型案例

以某款汽車的發(fā)動機罩內板為例，此零件的防氣泡性是涂裝工藝工程師關注的重點。使用涂裝分析軟件，對該部分的防氣泡性進行仿真，仿真結果，如圖8所示。

圖8 某款汽車發(fā)動機罩內板涂裝CAE仿真圖

圖8中粉紅色區(qū)域為氣泡路徑，紅色區(qū)域為氣泡區(qū)域，在這2個區(qū)域所覆蓋的地方電泳質量比較差，尤其是紅色區(qū)域。如果整個電泳過程都為紅色氣泡區(qū)，那么該部位將無法電泳成膜。根據仿真分析，得出氣泡排出的最佳位置，并要求在此位置開孔，由此提出設計變更，可以解決電泳質量差的問題，從而提高了發(fā)動機罩的電泳成膜效果，保證了品質要求。修改前后的數(shù)模，如圖9所示。

圖9 某款汽車發(fā)動機罩內板排出氣泡解決方案

5 結論

白車身開發(fā)中SE主要圍繞白車身制造的三大工藝（沖壓、焊接及涂裝）進行。通過對白車身整體規(guī)劃工藝的分析，根據制造經驗及軟件手段，對產品設計結構和制造工藝提出合理的建議。由于工藝及相關過程的提前介入，將原本要到工藝實施或者其他相應階段時才可能會暴露的問題提前至產品研發(fā)期暴露并予以解決，使產品研發(fā)和后期的工藝實施等盡量實現(xiàn)無縫對接。基于同步工程的車身開發(fā)，可以縮短開發(fā)周期、提高產品質量以及降低開發(fā)成本，已經成為汽車生產企業(yè)發(fā)展的必行之路。