數(shù)字模型氣密性檢測軟件在汽車研發(fā)中的應(yīng)用

陳利燕 朱偉 劉濱 黃超

摘要：介紹了國內(nèi)數(shù)字模型氣密性檢測軟件leak finder的技術(shù)原理以及在汽車車身開發(fā)過程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：氣密性；整車白車身；泄漏檢測；擬探測

車輛的氣密性問題，主要由設(shè)計缺陷和制造公差等原因引起。在現(xiàn)實的研發(fā)與生產(chǎn)實踐中，汽車車身由上千個零部件組成，開發(fā)人員設(shè)計的數(shù)字模型中，組件之間配合常出現(xiàn)孔洞間隙等設(shè)計缺陷。設(shè)計缺陷主要是指協(xié)同設(shè)計之間的配合問題、設(shè)計失誤等。在制造過程中也不可避免存在制造公差。主要是制造與設(shè)計不一致引起的不可控偏差；此外，借用其他車型相關(guān)部件時，繼承了與本車型無關(guān)特征（如工藝孔等），在某些特殊條件下由于制造工藝方法受限，設(shè)計中必須留有余量間隙等。

這些不同因素在相當(dāng)大程度上會導(dǎo)致在未來生產(chǎn)中真實產(chǎn)品的氣密性缺陷的存在。而氣密性缺陷不僅導(dǎo)致產(chǎn)品的漏水漏氣，更會導(dǎo)致噪聲、空調(diào)泄漏、設(shè)備腐蝕以及耐久性等缺陷。如圖1所示，圖中序號1～15為斷面示意圖，數(shù)字樣機(jī)制作過程中，一般可以通過斷面檢測檢查出相對明顯的間隙孔洞問題。物理樣機(jī)制造完成之后再通過物理方法進(jìn)行檢測，泄漏實驗或稱煙霧試驗（見圖2），超聲檢測（見圖3），或紅外檢測試驗等探測（見圖4）。但后期發(fā)現(xiàn)氣密性缺陷的整改費用龐大。

在多數(shù)情況下，因為復(fù)雜設(shè)備產(chǎn)品零件間的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，很多設(shè)計問題在研發(fā)后期難以整改。被動的補(bǔ)救方式就是涂膠，然而涂膠不僅不環(huán)保、耐久性差，而且成本高昂。例如汽車研發(fā)生產(chǎn)實踐中，當(dāng)有30條產(chǎn)品間隙需要通過涂膠進(jìn)行封堵。每條縫隙的物料成本超過5元，人工成本也多于5元，則30條縫隙涂膠成本超過300元。單一車型的總產(chǎn)量一般達(dá)到30～100萬輛。因此，即便忽略相關(guān)涂膠設(shè)備及管理成本，物料和人工成本將在9000萬～3億元，甚至更多，所以產(chǎn)品設(shè)計初期孔洞間隙的檢查顯得非常重要。目前，對于產(chǎn)品設(shè)計階段的孔洞間隙檢查以人工檢查為主，主要為人工數(shù)模檢查和斷面檢查。人工檢查不僅效率低，同時由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，泄漏往往是在多層零部件“穿梭”，人工檢查時孔洞間隙等設(shè)計缺陷的檢出率極低。在汽車產(chǎn)品中，人工檢出率僅30%左右。

為了提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，高效全面地對三維設(shè)計數(shù)字模型進(jìn)行孔洞間隙的檢查，數(shù)字模型孔洞間隙的檢測方法，或者數(shù)字模型氣密性檢測軟件的開發(fā)和應(yīng)用就十分必要了。本文主要介紹了國內(nèi)數(shù)字模型氣密性檢測軟件leak finder的技術(shù)原理以及在汽車車身開發(fā)過程中的應(yīng)用。

技術(shù)優(yōu)點

數(shù)字模型氣密性檢測技術(shù)，其原理即為通過對產(chǎn)品數(shù)字模型的計算解析，快速高效全面的識別出數(shù)字模型的孔洞間隙。該軟件支持連續(xù)三角面片的STL或FBX格式的三維數(shù)字模型。

該軟件用獨有體網(wǎng)格自動劃分不均等空間離散精度迭代細(xì)化空間分割法對空間進(jìn)行劃分，使得越接近數(shù)字模型（車體）的網(wǎng)格越小，而在遠(yuǎn)離車體的網(wǎng)格越大。因為孔洞間隙在數(shù)字模型（車體上）而不在車體空間。目前工程分析軟件之所以難以識別孔洞間隙，最主要的原因是因為網(wǎng)格如果劃分得太小則會使網(wǎng)格數(shù)成幾何數(shù)量增長。進(jìn)而使計算量無限大，使計算機(jī)無法計算。例如一輛汽車，長4m、寬2m、高1.5m，體積V≈12m3。當(dāng)將其劃分成邊長1mm的網(wǎng)格，那么數(shù)量為120億個。如此數(shù)量的網(wǎng)格，幾乎沒有計算機(jī)可以計算。然而用leak find的方法進(jìn)行實際檢測時，同樣切分最小網(wǎng)格1mm時，網(wǎng)格數(shù)量僅6800萬左右。相比于國外同類產(chǎn)品，該軟件的計算速度要快200倍，即整車計算只需要10min左右，而國外同類軟件約需要一周左右時間。

實施方法步驟

1.數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)備

檢驗數(shù)據(jù)包括車身、四門后蓋、相關(guān)的密封條、涂膠信息及相關(guān)堵蓋等。數(shù)模清理如圖5所示，主要為提高計算效率，對與氣密性無關(guān)的部件進(jìn)行清理，如發(fā)動機(jī)艙（前艙），底盤懸架等零件都可以清除。然后存成STL或者FXB格式的文件（見圖6）。

2.啟動leak finder軟件

導(dǎo)入整車三維數(shù)字模型（見圖7），對模型進(jìn)行初始化，手動指定位于數(shù)字模型內(nèi)的一點為起始點，開始對模型進(jìn)行逐級提高計算精度，該軟件根據(jù)主機(jī)廠的精度要求，設(shè)置1～11級精度，每提高1級精度增加一倍。精度提升至7的解析結(jié)果，也就是1/27m（約7mm）的孔洞解析結(jié)果，如圖8所示。最終到達(dá)項目預(yù)設(shè)的的精度是1/210m的孔洞解析精度的運算精度（即顯示＜1mm）。如圖9所示，可以看車身防火墻上部和后圍板以及側(cè)圍后部都是由于多層鈑金的連接，形成比較多的孔洞，孔洞通過玫紅色點、線高亮顯示出來。如圖10所示 ，通過旋轉(zhuǎn)模型切換視角可清晰識別內(nèi)部的孔洞以及孔洞的路徑。

3.分析軟件解析結(jié)果

結(jié)果篩選，總結(jié)報告。因為每個泄漏點均有坐標(biāo)，所以可以輕松識別哪些零件形成的孔洞間隙，通過坐標(biāo)捕捉位置，生成泄漏報告，作出相關(guān)的項目總結(jié)。

應(yīng)用實例

以某項目白車身為例做模擬檢測。為提高效率，對該白車身分成四個區(qū)域檢測，對稱部分不用重復(fù)計算，該項目要求的精度為檢測＜1mm的孔洞， 運用本軟件經(jīng)過解析，網(wǎng)格總數(shù)量不大于6000萬，網(wǎng)格劃分的優(yōu)化是該軟件檢測效率提升的關(guān)鍵，與國外同類軟件相比，網(wǎng)格數(shù)量減少兩個數(shù)量級，計算負(fù)荷大幅降低，計算效率成倍提升，最終檢測總孔洞數(shù)≥100個。由于整車數(shù)模不盡完整，各種悶頭、膠條、緊固件等缺失，進(jìn)一步篩選，整車孔洞間隙共60處。

通過實際項目中應(yīng)用leakfinder軟件對整車數(shù)字模型氣密性進(jìn)行檢測，結(jié)果可高效、準(zhǔn)確、全面地對孔洞間隙等設(shè)計缺陷進(jìn)行識別，并作出相應(yīng)的設(shè)計整改和優(yōu)化。經(jīng)過氣密性檢測和設(shè)計優(yōu)化，可有效地提升整車的產(chǎn)品質(zhì)量和性能。例如，乘客艙總體噪聲下降1.5dB，且高頻區(qū)域下降更為明顯，經(jīng)600h鹽霧試驗，確認(rèn)車輛可提升一個防腐等級。

結(jié)語

隨著汽車技術(shù)進(jìn)步，客戶對車輛質(zhì)量和性能的要求越來越高。氣密性缺陷的早期發(fā)現(xiàn)可有效地提升整車性能并提升汽車的市場競爭力，對汽車研發(fā)技術(shù)的提升有顯著意義。

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