模拟重力影响下的三维偏差分析模型创建研究

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摘 要：整车尺寸工程覆盖新车型开发的整个过程，这个过程中需要完成上百零件的公差设计。为缩短新产品的研发周期，并且制造出的新产品能够精确地达到设计的产品目标，高效准确的前期三维偏差分析与控制成为尺寸公差设计的重要环节。本文介绍了常用的三维偏差分析基本原理和偏差分析软件使用的假设条件，并且以公司某车型尾灯到尾门的装配为例，介绍了在考虑重力影响下的三维尺寸偏差分析模型的创建。本文采用VisVSA软件提供的添加孔销浮动的自定义装配功能，模拟重力影响下前大灯和翼子板的装配，达到预期的研究目的。这种考虑重力因素影响下的三维偏差分析方法，可适用于汽车上其他零件的尺寸偏差分析。

关键词：VisVSA；偏差分析；蒙特卡洛模拟法；尺寸工程

中图分类号：U462.2 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）03-0045-06

A study on the three dimensional deviation analysis model to create for simulating under the influence of gravity

ZHU Li-jun， WANG Hao

（ SAIC General Motors Wuling CO.Ltd. Liuzhou545007， china ）

Abstract： Dimensional engineering covers the whole process of the new vehicle development. Hundreds of parts" tolerance design is needed during vehicle development. In order to reduce product design cycle and manufacture accurately proposed product target， the efficient and accurate variation analysis is needed during tolerance design period. In this paper the basic principles of frequently-used variation analysis software and the assumed conditions for the software are introduced. Then taking the “rear lamp-liftgate” assembly as an example， the creation process study for the dimensional variation analysis is introduced. This paper simulates the “headlamp-fender” assembly process under gravity condition with the “add-float” method which is provided by VSA software for pin-hole assembly， and achieves the desired objective. This three dimensional variation analysis method under gravity condition is also proved to be effective to make simulations for other parts in vehicle.

Key Words： VisVSA； Variation analysis； Monte Carlo simulation； Dimension engineering

引 言

汽車行业迅速发展，每个人对自己爱车的外观尺寸以及整车性能越来越重视，因此，整车尺寸的控制在整个汽车开发过程所占地位愈发重要。尺寸偏差分析作为整车尺寸控制的重要一环，是根据车身装配工艺流程、零部件尺寸公差，计算累积尺寸偏差的均值和标准差，寻找产生装配偏差的原因或分析零件尺寸策略合理性的过程。尺寸偏差分析的目的是根据前期偏差分析的偏差源理论来验证零部件的前期设计的公差分布是否满足实际装配功能要求，进一步评估整车实际制造装配的合理性与可行性。并且也能发现产品设计的问题并及时改进，实现产品的稳健型设计。

目前偏差分析以欧美先进汽车企业为代表，正在为行业内熟知重视。 欧美汽车企业以精确的偏差分析软件作为设计技术工具，将整车尺寸链通过这些精确模拟仿真的方式贯穿整个汽车尺寸研发工程。使用公差分析软件有一些假设条件，比如1）所有零件都是刚性体；2）所有零件不考虑重力因素[1]等，但实际制造过程中，零件重力因素的影响是必然存在的，因此如何尽可能地模拟实际装车情况是我们面临的一大难题。本文基于VisVSA软件，以某车型前大灯与翼子板的装配为例，使用VisVSA提供的添加孔销浮动自定义装配功能来模拟重力因素的影响，进而分析前大灯和翼子板的间隙段差。

1 三维偏差分析软件及其算法

三维偏差分析软件是通过动态模拟装配方式反映总成零件在实际装配中的情况，进而进行建模计算。目前主流的三维偏差分析软件有VSA、3DCS和CETOL三种，3DCS和VSA都是基于蒙特卡洛模拟法的三维偏差分析软件。蒙特卡罗算法的基本思想为：当我们所要求解的问题是某个随机事件的期望值，或者为某种随机变量所要出现的概率时， 运用现有某种“试验” 的方法，通过随机事件所要出现的频次估算这一随机变量将要出现的概率，或能够解得我们所要求的这个随机事件一些数学特征，如均值标准差等，并将它作为我们所要求解问题的解[2]。为了便于描述，先定义公差函数。尺寸工程中的尺寸公差函数就是整车尺寸链中我们所要求解组成环或者封闭环与已知尺寸链中封闭环或者组成环所能构成的数学关系式。因此，先设尺寸公差函数为：

F = f （x1，x2，x3，…，xn）

其式（1）中， F为我们所要求解的封闭环或组成环的尺寸及偏差； n为已知组成环和封闭环的个数； x1， x2， …， xn为我们所已知的相互独立的组成环或者封闭环的尺寸及偏差。其中，上述我们所定义的公差函数也是封闭环尺寸链F要满足的制造装配以及整车功能等技术的要求[3]，所以其也要满足下面的数学关系式：

F∑min≤F（xn）≤F∑max

其式（2）中，F∑min为我们所要求解的封闭环最小尺寸，在尺寸匹配关系中表现表现为最大过盈（或最小间隙）；F∑max为我们所要求解的封闭环最大尺寸，在尺寸匹配关系中表现为最小过盈（或最大间隙）。目前，蒙特卡罗模拟法进行运算流程图[4]，见下图1所示：

2 偏差分析中的假设条件

对于VSA、3DCS等软件的常规三维偏差分析，像其他模拟分析方法一样，偏差分析过程有如下假设条件[5]：

（1）所有零件假设为没有形变的刚体，不考虑零件受外力而产生的变形；

（2）在模拟运算过程中，现有的模拟软件不能将无法定量的物理因素（柔性装配件的柔性等），重力因素，热度因素（涂装的油漆等） 等这些影响因子作为尺寸三维偏差分析时的输入条件；

（3）因为人为的在线调整以及返修等无法预测的制造工艺，无法在三维偏差分析虚拟模拟中运算，在三维偏差分析中模拟运算的仿真结果不能反映实际制造生产中环境的变化；

（4）贡献率分析基于几何线性关系。

3 模拟重力影响下的三维偏差分析模型创建的研究

3.1 不考虑重力影响的模型创建

由于尾灯是直接装在尾门总成上，尾灯与尾门的间隙只和这两个零件有关，因此创建模型时只需要这两个零件的数模。尾灯和尾门间隙要求：U/D方向1.5+/-1.0。

首先是尾灯上安装点的选择。根据尾灯的GD&T图（见下图2），选定尾灯上的安装点，如下表1所示，然后在VisVSA软件中创建模型。

在GD&T图中B，C尺寸标记为对手件安装孔理论尺寸，在创建偏差分析模型时选择后大灯B，C处销子的尺寸。

创建完成尾灯的模型，再创建尾门的模型。根据后大灯的安装点，对应选定尾门上的安装点，如下表2所示，然后创建尾门的模型。

根据尾灯和尾门的GD&T图，设置安装点和测量点公差，创建尾灯到尾门的装配，并创建尾灯到尾门的间隙测量。在VisVSA软件中，创建模型节点如下图4所示：

3.2 模拟重力影响下的模型创建

在实际装配中，尾灯是有重量的，尾灯挂在尾门上时，受重力会往下坠。尾灯上的定位销装在尾门上时，会贴着尾门定位孔的下边缘，如下图5所示。尾灯销和尾门孔的浮动方向是往车底单向方向浮动而不是360°的浮动。

在VisVSA软件中，可以使用“添加浮动”的方法来模拟上述情况。添加浮动是VisVSA中自定义装配的一种功能，添加浮动功能对话框如下图6所示：

当孔销的浮动为单向浮动时，通过设置偏移方向矢量来实现。在此尾灯装配到尾门的实例中，因模拟重力的影响，除创建尾灯到尾门的普通装配外，还需对B，C两销创建添加单向浮动的自定义装配。以B销添加浮动为例，各参数设置如下表3所示：

通过设置一个（0，0，-1）的偏移变量，来创建一个单向浮动的自定义装配，模拟了重力影响下尾灯和尾门的配合情况。

3.3 研究结果的验证

为了验证我们创建的装配操作实现了我们的预期目的，我们新建了一个测量，测量尾灯上B销和尾门上B孔的最小间隙，如果上述装配操作实现了我们的预期研究目的话，那孔销的最小间隙的名义值应该为0.0（即尾灯B销和尾门B孔贴在一起）。反之，孔销的最小间隙的名义值和不添加孔销浮动时孔销的最小间隙的名义值相同，为：

设置蒙特卡洛仿真2000次，对比结果如下图7、图8。不考虑重力因素影响的情况下，孔销最小间隙名义值为0.35mm，考虑重力影响下，孔销最小间隙名义值为0.0。与之前分析保持一致，达到预期目的。

4 模拟重力影响下偏差分析模型创建的基本思想及其运用

4.1 模拟重力影响下偏差分析模型创建的基本思想

综上第3章节所述，创建三维尺寸偏差分析模型时，使用VisVSA中提供的自定义装配功能，通过增加“孔-销”单向浮动的方法，模拟了重力对尾灯装配的影响。同时，也验证了通过使用VisVSA提供的“add float”添加单向浮动的方法，来模拟重力影响下创建偏差分析模型的正确性。

运用VisVSA提供的“add float”添加单向浮动的方法来模拟重力影响下偏差分析模型创建的基本思想为首先评估零件重力矢量大小及其影响方向，然后通过设置偏移方向矢量来实现孔-销等配合的单向浮动，见下表4所示，进而进行装配custom assembly并创建运算模型。模拟重力影响下的偏差分析模型创建的流程一般是确定分析区域相关零件→确定零件装配顺序→定义几何尺寸及功能特征→分析零件装配尺寸链→定义零件公差及测量点→创建add float→定义装配操作与测量→模拟运算以及导出报告与分析。

4.2 模拟重力影响下偏差分析模型的运用与分析

有很多零部件的尺寸偏差分析需要考虑重力因素的影响，如前大灯的间隙段差匹配、前门中门的间隙段差匹配等。下面以公司CN200S前大灯与翼子板的匹配为例，使用VisVSA提供的“add float”添加单向浮动的方法，来模拟前大灯的重力影响，进而分析前大灯与翼子板匹配的间隙段差。

公司CN200S项目量产后，车间经常出现前大灯后上部与翼子板的间隙段差超差变大（问题车台数较多），前大灯后部中间与翼子板间隙超差较小（问题车台数一定量），前大灯后下部與翼子板间隙超差较大（问题车台数一定量）。在新项目CN200S前期尺寸设计分析时，前大灯与翼子板的间隙段差是合格的，具体下图9所示：

实际制造装配过程中，前大灯与翼子板的尺寸匹配超差严重且不稳定，与图9模拟结果不一致。在基于VisVSA模拟运算时，使用“add float”添加单向浮动的方法（见下图10所示），增加前大灯的重力影响，其模拟运算结果与实际制造装配尺寸匹配状态一致，其模拟结果如下图11所示：

由上述分析可知，前大灯与翼子板匹配的测量点1的间隙与段差都是上限超差，即易出现匹配的间隙段差超差变大现象；测量点2很少量的下限超差，即偶尔会出现匹配间隙较小状态；测量点3的间隙基本都是上限超差易出现匹配的间隙超差变大问题。可知，考虑重力影响下的模拟分析结果与实际装配制造状态一致。

根据上述分析结果以及实际制造状态，优化了前大灯的定位结构以及上部定位孔的大小，具体见下图12所示：

在前大灯结构优化后，基于VisVSA进行建模分析，其运算结果如下图13所示，可知模拟运算结果得到了優化。同时，实际制造装配状态也得到了明显改善，总装车间问题车数量显著减少。

在三维偏差分析时，考虑重力因素的影响，使模拟运算结果与实际装配结果更吻合。我们应该积极主动地运用好add float尺寸虚拟分析技术，校核新产品设计的合理性以及装配精度，验证零部件公差设计的合理性，从而减少了后期新产品设计变更的被动性以及其所带来的高昂成本。

5 结论与展望

本文介绍了模拟重力因素影响下的尺寸三维偏差分析模型的创建，并对创建的模型进行了验证分析。在模拟重力因素模型的运用探讨中，可知尺寸偏差分析时，考虑重力因素的影响，可使模拟运算结果与实际装配结果更加吻合。目前，国内各大汽车主机厂在尺寸前期偏差分析时，基本是不考虑重力因素的影响或者直接忽略重力因素的影响，以致后期新车型量产后出现了大量的尺寸匹配问题。另外，在实际生产装配过程，存在许多的薄板冲压件和柔性件，本次建模时没有考虑它们的柔性变形。因此，在实际造车装配过程中，尺寸工程师需要及时对实际造车问题测量数据进行分析，进而进行偏差分析模型优化与调整。同时，如何及时地在偏差分析中反映这些优化和调整也是非常必要的，这样能帮助我们快速对实际造车质量问题进行实时控制和有效诊断。根据偏差诊断结果提出来的优化和调整，也许不一定是最优方案，如何建立“质量—成本”模型，通过计算机寻找最优方案，实现质量和成本的最佳控制，也需要进一步的研究。

VisVSA软件只是一个进行公差管理和分析的工具，人的因素才是关键的。如果我们在进行汽车产品开发过程中有意识地推行尺寸管理的理念，应用这些工具，使尺寸管理这项工作完全融合在整个产品开发流程中。在整个产品生命周期中，时时刻刻都发挥它的作用并指导产品的品质提升，降低开发成本，缩短产品开发周期，进而实现产品的稳健型设计。尺寸管理工作的最终成效就会体现在产品上，提高了产品竞争力，形成企业的核心竞争力。

参考文献：

[1]付新亮. 基于VisVSA软件的车身公差设计研究[D].武汉：武汉理工大学， 2013：54-55.

[2]王晶， 石宏， 黄笑飞等. 基于蒙特卡罗模拟法的航空发动机装配公差分析[J]. 沈阳航空工业学院学报， 2010，（8）：9-10.

[3]阮和根，陈沈融，朱红萍等. 基于VSA得冷镦机关键零部件公差设计[D].上海：上海大学， 2009：70-71.

[4]马振海， 李涛， 胡敏. 基于偏差分析的前照灯区域尺寸链优化[J]. 汽车工程师， 2013（2）：19-20.

[5]刘彦军. 基于VisVSA软件的汽车车门结构公差设计研究[D]. 长春：吉林大学， 2011：29-30.

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