有限元技術(shù)在汽車尺寸控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

白云亮　戴宏駿　黃萃蔚

摘 要：有限元技術(shù)和光學(xué)掃描技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用成熟并廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和企業(yè)，但兩者結(jié)合應(yīng)用目前還不多，尤其在汽車車身尺寸質(zhì)量分析領(lǐng)域。本文分別從不同角度對車身單件匹配、總成零件裝配以及測量基準(zhǔn)調(diào)整三方面進(jìn)行了應(yīng)用探索，基于數(shù)字孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元受力變形應(yīng)用方向分析。

關(guān)鍵詞：車身尺寸 有限元 光學(xué)測量 數(shù)字孿生

1 引言

隨著光學(xué)測量技術(shù)的成熟與普及，在白車身及外覆蓋件尺寸測量領(lǐng)域，光學(xué)全域型面測量技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用并在各個(gè)主機(jī)廠全面鋪開。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是能夠快速高效的將零件型面進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)化，獲取高精度的零件數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，用戶可將該數(shù)據(jù)在后處理軟件中進(jìn)行分析比對，高效全面的完成車身及零件尺寸偏差的評價(jià)，進(jìn)而對生產(chǎn)工藝及零件設(shè)計(jì)制造進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)。

如圖1（a）所示，為光學(xué)全域測量在車身外覆蓋件的全域尺寸測量數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，該測量技術(shù)可根據(jù)預(yù)先編好的程序，快速的獲取汽車四門、翼子板及前后蓋等外覆蓋件的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而直觀的展現(xiàn)出零件制造偏差，指導(dǎo)優(yōu)化。如圖1（b）所示，為光學(xué)全域測量技術(shù)集成至白車身生產(chǎn)線中所獲取的白車身數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，該技術(shù)可根據(jù)產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍實(shí)時(shí)在線的完成白車身型面數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的獲取和轉(zhuǎn)化，高效、高精度的實(shí)現(xiàn)白車身在線自動全域尺寸的監(jiān)控目標(biāo)。

隨著在線和離線零件孿生數(shù)據(jù)的不斷積累和完善，僅對該數(shù)據(jù)進(jìn)行特定點(diǎn)位常規(guī)監(jiān)控已不能滿足車型快速迭代和多車型共線生產(chǎn)的質(zhì)量監(jiān)控需求，如何充分利用該全域測量數(shù)據(jù)，如何讓該數(shù)據(jù)更好的為車身尺寸質(zhì)量服務(wù)，已成為各大廠商的重點(diǎn)研究課題和方向。

2 有限元技術(shù)的介紹與引用

有限元是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計(jì)算方法，是將彈性理論，計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)結(jié)合一起的一種數(shù)值分析技術(shù)，是解決工程實(shí)際問題的一種有力的數(shù)值計(jì)算工具。有限元方法的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，其基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。本文將利用有限元技術(shù)，結(jié)合零件的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，從虛擬匹配，虛擬裝配和輔助測量三面展開介紹。

2.1 有限元技術(shù)在沖壓單件匹配分析中的應(yīng)用

目前，沖壓單件之間的匹配關(guān)系分析主要是通過實(shí)物的物理搭建完成，該種搭建方式成本高，周期長。隨著光學(xué)測量技術(shù)的普及應(yīng)用，能夠很容易獲取沖壓件全型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)能夠高精度的反應(yīng)零件的表面形狀和尺寸缺陷。所以可利用零件的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬匹配分析，進(jìn)而代替實(shí)物的物理搭建。但數(shù)字孿生數(shù)據(jù)是剛性數(shù)據(jù)，不會像實(shí)物零件一樣會受力變形，所以該種虛擬匹配方式精度還有待提升，然而有限元技術(shù)已經(jīng)是成熟的受力變形手段，可嘗試將有限元技術(shù)和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行組合應(yīng)用，完成基于有限元技術(shù)的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)虛擬匹配目標(biāo)，解決虛擬匹配過程中零件的形變問題。

如圖2（a）所示，光學(xué)掃描設(shè)備獲取零件的真實(shí)形狀點(diǎn)云，兩零件由于制造誤差，在剛性虛擬匹配情況下，匹配面是離縫和干涉的，此種交叉干涉情況在現(xiàn)實(shí)焊接或鉚接工藝中是不存在的，現(xiàn)實(shí)工藝中會在工裝夾具力的作用下，將零件強(qiáng)制變形，從而達(dá)成匹配面的貼合，消除交叉和干涉。但在強(qiáng)制變形過程中，零件非匹配區(qū)域的形變是很難預(yù)測的，就會導(dǎo)致在后續(xù)工藝中零件超差，造成損失。如圖2（b）所示，結(jié)合有限元軟件，在軟件中加載與真實(shí)情況相同的邊界約束條件，經(jīng)過有限元求解，將兩個(gè)實(shí)際零件的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行受力變形，輸出兩個(gè)有缺陷零件虛擬匹配后的變形結(jié)果，根據(jù)此變形結(jié)果可進(jìn)行提前尺寸預(yù)測，進(jìn)而對零件工裝和自身尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 有限元技術(shù)在總成件虛擬裝配領(lǐng)域的應(yīng)用

在車身外覆蓋件安裝過程中，由于零件的制造誤差，往往會由于裝配尺寸或匹配尺寸偏差導(dǎo)致裝配過程中零件受力變形，該形變會最終會體現(xiàn)在車身匹配中。例如，前后門、后門與側(cè)圍，翼子板與前門等縫隙過大或過小，平整度超差等。由于分拼中零件無法得知對手件的狀態(tài)和受力變形后零件狀態(tài)，所以此種缺陷在分拼總成中是很難被準(zhǔn)確檢測或預(yù)測到的。目前采用的檢測和預(yù)測方式主要是通過實(shí)物零件的搭建或裝配方式進(jìn)行驗(yàn)證，此種方式成本高，周期長，搭建過程中需要耗費(fèi)大量的人力物力。所以虛擬搭建或虛擬裝配一直是行業(yè)嘗試的研究方向，此前的虛擬裝配主要是剛性裝配，即不考慮零件的受力變形，忽略受力變形會導(dǎo)致虛擬分析結(jié)果和物理搭建結(jié)果精度差異較大，無法有效的對零件尺寸優(yōu)化給出有效準(zhǔn)確指導(dǎo)意見。

本文重點(diǎn)介紹有限元技術(shù)在虛擬裝配中的嘗試應(yīng)用，如果可以將有限元技術(shù)與實(shí)際數(shù)字孿生數(shù)據(jù)結(jié)合，進(jìn)行虛擬裝配，同時(shí)在軟件中實(shí)現(xiàn)裝配過程中產(chǎn)生的受力變形，即可精準(zhǔn)高效的進(jìn)行裝配尺寸預(yù)測和驗(yàn)證。

如圖3（a）所示，由于側(cè)圍的制造偏差和裝配誤差所致，在車身狀態(tài)下，側(cè)圍在匹配處高于后門，在車身質(zhì)量控制中，此類缺陷屬于重大缺陷類型，匹配處倒高（后高于前）會導(dǎo)致車輛在高速行駛過程中風(fēng)阻增大，風(fēng)噪過大，直接影響用戶體驗(yàn)。此類缺陷的返修措施一般是通過調(diào)整安裝狀態(tài)或強(qiáng)制零件微變形手段解決，但此種方式存在不確定性，極有可能缺陷處問題被解決的同時(shí)，由于零件形變會帶來其他匹配處出現(xiàn)缺陷。傳統(tǒng)的解決方式是通過實(shí)物零件和特殊工裝，反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，找出最佳的調(diào)整點(diǎn)和調(diào)整量。但該種方式同樣存在周期長，效率低的弊端。如圖3（b）所示，可利用有限元技術(shù)，在零件實(shí)際數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中加載模擬現(xiàn)實(shí)中的邊界條件，在軟件中將倒高處抱怨進(jìn)行虛擬強(qiáng)制位移，通過零件的整體變形情況分析，預(yù)測可能帶來的影響，從而給出精確的調(diào)整位置和調(diào)整量。此種虛擬分析手段能夠有效解決零件受力變形問題，同時(shí)分析周期短，無需實(shí)物零件和人工搭建，大大的降低了調(diào)整優(yōu)化成本，提高虛擬裝配的預(yù)測精度。

2.3 有限元技術(shù)在車身件測量領(lǐng)域的應(yīng)用

在很多車身外覆蓋件總成中，測量基準(zhǔn)和零件支撐位置不在同一零件上，由于重力作用和制造偏差，導(dǎo)致測量基準(zhǔn)超差。在測量方面，需通過測量支架調(diào)整機(jī)構(gòu)反復(fù)手動調(diào)整測量基準(zhǔn)至公差內(nèi)，如圖4（a）所示，該種方式浪費(fèi)時(shí)間和測量能力；在精度方面，手動調(diào)整無法將測量基準(zhǔn)調(diào)至0位，會導(dǎo)致測量結(jié)果精度損失。在測量支架設(shè)計(jì)方面，由于被測零件結(jié)構(gòu)不同，每個(gè)零件都需要配有自己的測量支架，無法進(jìn)行高度柔性化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致支架成本高，占地大。

基于如上弊端，可將有限元技術(shù)結(jié)合測量數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)整。如圖4（b）所示，利用有限元技術(shù)，基于零件的全域測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬調(diào)整，替代測量過程中手動調(diào)整工作，虛擬調(diào)整可精準(zhǔn)調(diào)整至0位，根據(jù)虛擬調(diào)整后的數(shù)據(jù)即變形后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，出具測量和分析報(bào)告。該種方式可取消傳統(tǒng)測量過程中的反復(fù)調(diào)整工作，而且能夠滿足額外的分析需求。例如可將任意指定點(diǎn)變形至指定位置，可提供更多的分析驗(yàn)證可能性。除此之外，每次虛擬調(diào)整都可認(rèn)為是取代了一種新的測量檢具或結(jié)構(gòu)，可簡化對物理檢具或支架多樣性的依賴度。同時(shí)，虛擬調(diào)整技術(shù)還可促進(jìn)沖壓單件及總成測量支架檢具高度柔性化、數(shù)字化迭代進(jìn)程。

3 總結(jié)與展望

有限元技術(shù)和光學(xué)掃描技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用成熟并廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)和企業(yè)，但兩者結(jié)合應(yīng)用目前還不多，還不夠深入，尤其在汽車車身尺寸質(zhì)量分析領(lǐng)域。本文分別從不同角度對車身單件匹配、總成零件裝配以及測量檢具優(yōu)化簡化三方面進(jìn)行了應(yīng)用探索，基于數(shù)字孿生數(shù)據(jù)即實(shí)際型面進(jìn)行有限元受力變形應(yīng)用分析，該種有限元應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)源不再是理論無偏差的CAD數(shù)據(jù)，而是真正的實(shí)物零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最大的突破是仿真結(jié)果體現(xiàn)的偏差無限接近實(shí)際結(jié)果，預(yù)測精度等到大幅度提升，該精度等級能夠滿足尺寸監(jiān)控需求，指導(dǎo)零件進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，相比于傳統(tǒng)的有限元趨勢預(yù)測和定性分析，本文介紹的方法在車身某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了高精度定量分析，為未來的數(shù)字化和智能化質(zhì)量監(jiān)控提供了更多可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]白云亮等.Atline光學(xué)在線絕對測量技術(shù)在白車身尺寸測量及監(jiān)控領(lǐng)域的研究與應(yīng)用.時(shí)代汽車.2020（09）.

[2]馮新建等.ANSYS有限元技術(shù)在汽車密封條設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.機(jī)械管理開發(fā).2020（10）.

[3]錢銀超等.汽車車門有限元分析即綜合性能優(yōu)化.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2018（07）.