翼子板裙板離空感知問題設計優(yōu)化

周磊 張輕松 危學兵 郝加杰 李偉 仝偉

【摘 要】通過對某車翼子板裙板離空問題進行分析，確定了可能造成離空的影響因素，使用田口方法設計實驗方案，并采用CAE軟件Moldflow對汽車翼子板裙板的變形進行分析。通過分析變形圖及信噪比和Mean值變化曲線，得出不同因子對零件信噪比的影響，最終確定翼子板裙板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，在解決翼子板裙板離空問題的同時達到“裙板材料統(tǒng)一”的目的。

【關鍵詞】翼子板裙板;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;Moldflow

【中圖分類號】U463.83 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）05-0049-05

0 引言

汽車翼子板是遮蓋車輪的車身外板，翼子板裙板具有材料薄、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量要求高等特點，屬于典型的覆蓋件[1]。翼子板裙板包括裙板、車身翼子板、前保等零件，需要與周邊零件配合協(xié)調(diào)、過渡平順，形成整車特有的美感，這就要求各零件在裝配過程中必須完美嵌合[2]。

在某車型造車過程中，一直存在翼子板裙板與車身離空的現(xiàn)象，甚至在造車后大批量車型又出現(xiàn)離空問題，這會極大地影響客戶駕駛體驗并造成生產(chǎn)現(xiàn)場的抱怨，極端情況下還可能造成翼子板與車身分離，導致汽車整體平衡被破壞，引發(fā)汽車故障。由于車身開孔無法更改，模具也已經(jīng)加工完成，只能通過調(diào)整工藝、調(diào)整卡扣座高度、增加彈性模量抑制變形的方法控制翼子板裙板離空問題，這樣會導致該產(chǎn)品對材料和尺寸長短的變化非常敏感，無法從根本上解決翼子板裙板離空問題。

本文針對某車型翼子板裙板離空感知問題，主要研究了造成翼子板裙板離空問題的7種結(jié)構(gòu)設計參數(shù)，使用CAE軟件Moldflow進行模擬分析，對比找出影響系數(shù)最大的參數(shù)，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，用穩(wěn)健的設計降低波動源（材料批次、尺寸等）的影響。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，消除材料因素對變形的影響，進而做到裙板材料統(tǒng)一，并解決翼子板裙板的離空問題。

1 問題分析及方案設定

1.1 問題分析

從汽車模型設計到裝配產(chǎn)車的整個流程中，有諸多因素會導致裙板發(fā)生離空，例如供應商質(zhì)量、模具、工藝、材料和裝配方式等因素，但部分因素屬于不可控因素，無法人為地控制，因此我們無法對其進行研究。從產(chǎn)品設計的理論來說，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設計是可以進一步改進優(yōu)化的，本文研究的重點在于通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)降低波動源的影響，控制裙板信噪比，從而降低對零件變形的影響。

從實際問題出發(fā)，通過逆向思考把所有造成離空的因素都找出來，并通過分析確定哪個因素對變形的影響最大。最終確定汽車翼子板裙板發(fā)生離空問題，主要是在3種情形下造成的。圖1為翼子板裙板發(fā)生離空的3種不同情形下，零件內(nèi)可能存在的問題。第一種情形是裙板頂出，這主要與卡扣座高、鈑金孔安裝面高或者筋條高有關;第二種情形是零部件安裝不到位，主要與卡扣易斷裂、卡扣距離遠、卡扣拉不住或卡扣與doghouse存在間隙有關;第三種情形是零件發(fā)生變形，這與零件自身軟、工藝長、材料流動不順暢或外力作用有關。

通過分析可將上述影響因素歸為兩類：控制因子和噪聲因子（如圖2所示）?？刂埔蜃邮侵缚梢杂晌覀冏灾骺刂频倪^程或設計參數(shù)，而噪聲因子是指在生產(chǎn)過程中很難控制或控制成本很高的過程或設計參數(shù)[3]。通過對翼子板裙板離空問題幾種情形的分析，在造成離空問題的諸多因素中，控制因子主要有7種，分別是卡扣距離外邊緣的距離、材料彈性模量、卡扣之間距離、橫向筋條、縱向筋條、卡扣形式及卡扣座高度。這7種控制因子在零件上所處結(jié)構(gòu)位置如圖3所示。噪聲因子主要為裙板在公差范圍內(nèi)的長度變化。

1.2 結(jié)構(gòu)設計參數(shù)

確定上述每個控制因子結(jié)構(gòu)類型的選擇范圍（見表1）。每個控制因子都有兩組結(jié)構(gòu)類型，其中因子A在設計過程中，為了防止鈑金發(fā)生拉裂，在保證鈑金結(jié)構(gòu)不改變的前提下，卡扣距離外邊緣的距離僅可移動0.5 mm。因子F的結(jié)構(gòu)類型分為方形卡扣和圓形卡扣兩種，其中方形卡扣可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)從而對變形有影響，而圓形卡扣不會翻轉(zhuǎn)。其他因子都在可控范圍內(nèi)進行調(diào)整改變。

對于噪聲因子，其結(jié)構(gòu)類型的選擇范圍主要有兩種（見表2）。噪聲因子主要為裙板長度，在實際裝車過程中，若裙板零件偏長，則會導致裝配安裝后產(chǎn)生曲面離空，故將裙板長度的第二種結(jié)構(gòu)設定為零件走上公差，打長1 mm。

1.3 實驗方案

影響因素中共有7個控制因子，每個因子有2種結(jié)構(gòu)類型，如果做排列組合分析，則需要做27=128次試驗，加上2個噪聲因子，共計需要做256次試驗。這種試驗方法雖然全面，但工作量很大，尤其當因子數(shù)目較多時，想做全面試驗實際上是不可能的。另一種方法為簡單對比法，即改變一個因素而固定其他所有因素，得出較優(yōu)解后，在原來的基礎上將其固定并改變其他因素，以此類推。這種方法的優(yōu)點是試驗次數(shù)少，但代表性較差，得出的結(jié)果不一定是所有組合中最好的。為了減輕工作量并保證結(jié)果的準確性，使用田口試驗設計方法。田口試驗設計方法最早由日本著名的統(tǒng)計學家和質(zhì)量管理專家田口玄一提出，是研究多因素、多水平的常用方法，它利用正交表挑選實驗條件，能在最少的實驗次數(shù)內(nèi)得出多目標優(yōu)化設計時的最佳組合[4]。與傳統(tǒng)正交試驗相比，田口方法引入了信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）[5]。針對7個因子，每個因子兩種水平的情形，采用L8（27）正交試驗列表進行分析，由256次實驗簡化為8次實驗，實驗方案見表3，表中數(shù)據(jù)1、2分別表示為控制因子的結(jié)構(gòu)類型。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果分析

2.1 模擬結(jié)果

本實驗使用CAE軟件Moldflow進行模擬分析。圖4為8種實驗方案下裙板Z方向的變形結(jié)果圖。由圖4可知，方案1在位置2處的Z方向變形量最大，最大值為2.098 mm;方案4在位置2處的Z方向變形量最小，最小值為1.114 mm。

圖5為8種實驗方案的S/N值和Mean值。通過結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，B、C、E、F 4個控制因子的信噪比波動最大，說明這4個因子都會對變形產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)信噪比選大，均值選小的原則，應選擇最佳方案為B1、C2、E2、F2，而A、D、G 3個控制因子的信噪值波動最小，相對來說對變形的影響不大。

我們期望通過優(yōu)化設計降低控制因子B即材料波動的影響，然而從實驗結(jié)果來看，控制因子B的信噪比波動很大，即材料因素對翼子板裙板的變形影響很大，這有悖于我們的期望目標。主要原因是考慮到鈑金出模的影響，控制因子A卡扣到外邊緣距離僅移動了0.5 mm，因此需要對裙板結(jié)構(gòu)再次優(yōu)化，降低控制因子B即材料的影響，從而實現(xiàn)“裙板材料統(tǒng)一”的目標。

2.2 二次實驗

控制其他因子不變，通過優(yōu)化裙板結(jié)構(gòu)的設計，把安裝點向外移動5 mm，即卡扣座距離外邊緣的距離為25 mm，重新做4次實驗，控制因子A結(jié)構(gòu)選擇范圍見表4。

圖6為二次實驗的裙板Z方向的變形量。由圖6可知，方案2、5、6在位置2處的Z方向變形量明顯減小，降低了裙板離空的風險。圖7為二次實驗的S/N值和Mean值。對比圖5和圖7可知，對信噪比影響最大的因子從“材料彈性模量B”變?yōu)椤翱劬嚯x外邊緣距離A”，整體均值由0.7降低至-0.024，這表明整體因素對翼子板裙板變形影響顯著變小。

3 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化裙板結(jié)構(gòu)的設計，對控制因子A卡扣距離外邊緣距離進行改進，從距離外邊緣30 mm改為距離外邊緣25 mm，導致對信噪比影響最大的控制因子從B變?yōu)锳，能極大降低結(jié)構(gòu)因素對翼子板裙板變形的影響。

（2）對信噪比影響最大的控制因子從B變?yōu)锳，而A因子是可以由模具設計來控制的，這將直接減少材料對變形的影響，從而實現(xiàn)“裙板材料統(tǒng)一”的目標。進一步推斷認為，卡扣距離外邊緣越近，對材料彈性模量的依賴就會越低，應盡可能優(yōu)化鈑金結(jié)構(gòu)，在一定程度范圍內(nèi)，讓卡扣距離外邊緣越近越好。

（3）根據(jù)圖7，按照信噪比選大，均值選小的原則可知A、C、D、G 4個因子都會對變形產(chǎn)生很大的影響，最佳方案為A2、C2、D2、G1，即卡扣間距離80 mm優(yōu)于120 mm，考慮到模具成本，可在拐彎處布置80 mm的卡扣間距;橫向筋條的影響高于縱向筋條，后續(xù)設計應以橫向筋條優(yōu)先，若空間足夠，可加上縱向筋條起加強作用。對于卡扣形式，圓形卡扣對零件翻轉(zhuǎn)有很好的限制作用，空間足夠的情況應盡可能選擇圓形卡扣。

（4）因子A2、C2、D2、G1為設計必要項，因子B1、E2、F2可作為設計參考項。通過對比預測信噪比和實測信噪比，最終確定最優(yōu)設計優(yōu)化方案為A2、B1、C2、D2、E2、F2、G1。

參 考 文 獻

[1]周杰，陽德森，羅征志，等.翼子板裙板成形有限元分析及坯料優(yōu)化[J].鍛壓技術，2006（1）：9-12.

[2]吳萌，李能文，楊苑君，等.汽車塑料翼子板的應用及可行性分析[J].纖維復合材料，2019，36（2）：49-53.

[3]陳斌.車輛側(cè)門分縫線平順性的控制因子研究及正交優(yōu)化設計[J].汽車實用技術，2019（2）：89-92.

[4]溫嘉斌，于嵐.田口方法在永磁同步電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2019，24（5）：64-69.

[5]賈寓真，吳懿萍，劉剛，等.基于田口方法的雙金屬帶鋸條鋸切參數(shù)優(yōu)化[J].現(xiàn)代制造工程，2019（8）：78-81，55.