綜合受力變形的車門公差設計與分析

□ 詹高偉 □ 李 明 □ 韋慶玥 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學 智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

目前，計算機輔助公差設計的研究主要針對剛度大、變形小的剛性零件，忽略零件變形對裝配公差的影響。由于金屬薄壁件主要為柔性件，具有柔性大、剛度小的特點，剛性零件的公差分析理論不再完全適用。為更好地控制薄壁件裝配尺寸的精度，有必要對考慮薄壁件柔性特征的公差分析理論方法進行深入研究。

薄壁件裝配的公差分析應該在設計階段進行，在設計的同時，需要考慮制造過程中零件受力變形對公差分配的影響，為合理的公差分配提供可靠依據，這樣才能有效估計部件實際裝配的效果，控制好重要尺寸的浮動范圍，降低裝配件修正或返工的頻率。在設計階段，一般無法得知最終裝配件的具體誤差，需要用公差分析理論與建模來模擬最終裝配狀態。公差分析理論與方法在此起到了關鍵的作用，因此，為提高公差分析的質量和分析速度，需將CAD、CAE和CAT技術結合起來對產品尺寸公差進行分析。

筆者在以上幾個方面的背景下進行研究，提出一種基于有限元模型用于薄壁裝配的公差分配方法。利用該方法，可以在滿足產品整體質量和已知受力的情況下，在裝配前確定最大允許加工公差，這樣既可降低裝配件的制造成本，又可保證薄壁零件的焊接質量。此方法為以薄壁件為主的汽車薄壁件沖壓工藝設計提供了依據，并且對汽車行業有著很大的應用價值。

研究的目的是提供給設計師評估公差狀況的手段，通過有限元分析與計算機輔助公差設計相結合的方法，為設計師提供可靠、準確、合理的公差分配依據，進而縮短設計周期，降低計算成本，提高產品競爭力。

1 系統分析和技術路線

車門是汽車車身設計中一個相對獨立的部件，它由多塊薄板沖壓焊接而成，結構較復雜。車門應具有良好的密封性和碰撞安全性，以免產生噪聲、漏風、灰塵的吸入以及車門卡死等現象，因此強度、剛度和幾何誤差是車門系統設計中需要考慮的重要參數［6］。

車門裝配過程一般要經過以下4個步驟。

（1）需要進行裝配的工件安裝在工裝上定位；

（2）用夾具進行夾緊；

（3）對裝配件進行連接或焊接操作；

（4）松掉夾具或工裝。

工件最終狀態受到幾種情況影響：不同工況（包括自由狀態和有工裝保證狀態）、焊接變形、自身重力等。

在對車門進行公差設計和分析過程中，主要都是基于理想模型，未將車門實際裝配后的車門狀態置于總體裝配與分析過程中。由于脫離了實際裝配環境，因而通過車門內外板剛度模擬實驗得出的理論分析結果與實際裝配條件下的車門剛度薄弱位置常會存在一定的偏差。車門設計過程中的剛度設計與尺寸公差設計的分離，導致理想狀態下的理論分析與實際工況下的實際裝配存在一定的差距，從而可能會引起裝配時發生干涉和精度超標等情況，繼而造成返工、浪費、成本增加、生產進度延誤等問題。

筆者研究的對象涉及到空間尺寸鏈及復雜的空間結構，因此整個尺寸鏈的分析計算過程相當復雜。用有限元進行分析時，對細節信息的簡化會影響到整體模型的完整性，因此如何簡化或輕量化模型來滿足公差分析的要求，探索一種有效的解決方案，把有限元分析結果與公差分析結合起來也是研究的難點之一。

基于車門的以上特點，選用某轎車的前車門為例，研究和探索在有限元變形分析狀態下的公差分析方法，以說明其方法在實際生產制造中的作用和意義。圖1描述了綜合有限元變形分析的公差分析流程。

▲圖1 綜合受力變形的車門公差分析流程

2 方案實施

2.1 車門CAD幾何模型建立

轎車前車門是一個由多塊鈑金件通過點焊組合而成的中空薄壁板殼機構。分析時首先采用UG軟件進行幾何建模。在建模時，對車門內板一些不影響分析結果的細小結構作如下簡化。

（1）僅考慮車門相關零部件的有限元建模，忽略與車門相連的車身其它部分；

（2）忽略內飾板、黏性材料及車窗玻璃部件；

（3）省略車鎖和車門鉸鏈的建模，用簡化的約束進行代替；

（4）整個車門選用單一金屬材料。

為了便于公差的可視化和在后續分析過程中的提取，與公差分析、裝配關系相關的公差信息以及與產品生產制造相關的生產和制造信息，采用軟件提供的產品制造信息來進行標注。

2.2 車門有限元分析

車門是車身的重要組成部分，主要由殼體、附件和內飾板3部分構成，車門殼體由厚度0.8 mm左右的鋼板沖壓成外板和內板再焊接而成。外板外形與整車協調，外板包著內板，沿著門的邊緣形成一剛性箍。內板是車門主要零件，根據需要在內板上焊有加強板［2］。

由于轎車車門是具有復雜形狀的薄壁板殼結構，如果直接采用節點、單元信息建立分析模型，十分困難。因此利用有限元分析軟件前處理模塊中提供的簡化模型功能，在CAD實體模型的基礎上進行自動簡化，從而方便快捷地形成有限元模型［4］。

針對薄壁零件特征，同時考慮到各計算機輔助設計軟件文件類型的兼容性，筆者采用的CAE軟件是NX Nastran 6.0。車門受重力影響的有限元分析流程如圖2所示，有限元分析結果如圖3所示，最后根據輸出變形后的各節點坐標來調整車門CAD模型。

▲圖3 NX Nastran有限元分析結果

▲圖2 NX Nastran有限元分析過程

2.3 車門總成公

差分析

將變形后的車門裝配體轉化為輕量化模型后導入公差分析軟件VisVSA中進行分析。首先，導入UG軟件建模時標注生產和制造信息，根據公差分析的需要新建或彌補公差特征；然后，在VisVSA中創建各零件之間的裝配關系和測量特征；最終，運行公差仿真計算模塊，輸出結果報告，并針對分析報告中列出的問題進行分析，提出改進方案［1］［5］。

筆者分別選取車門邊緣和車身側圍上對應的兩個點，兩個點之間的距離大小即為車門與側圍的間隙值。基于受力變形量越大對尺寸公差影響越明顯的情況，在車門變形量最大位置處（車門左上角位置）定義了6組測量點，在VisVSA軟件中設置前門總成的測量點分布如圖4所示，測量點是為了控制車門與車身之間密封條壓縮量的間距，以保證車門的密封性能［3］。

對比理想狀態下和靜力作用下的車門尺寸公差分析，以評定理想狀態下公差設計在實際生產過程中是否能夠滿足安全性、密封性和功能性要求。VisVSA模型的偏差分析結果是基于設計目標做出的，主要考察車門總成與其相鄰零件的面差和縫隙間距是否可以滿足設計目標，以確認是否達到了穩健型性設計要求。

理想狀態下的6組車門間隙測量結果和實際工況下車門受靜力變形后的6組間隙測量結果如圖5所示，其中圖 5（1）、（3）、（5）、（7）、（9）、（11）是理想狀況下間隙測量結果，圖 5（2）、（4）、（6）、（8）、（10）、（12）是實際工況下間隙測量結果。

▲圖4 車門測量點分布圖

▲圖5 理想狀態和實際工況下的車門間隙仿真進程報告

根據VisVSA的模擬結果，理想狀態下車門與側圍的間隙值基本上都能夠滿足設計要求。然而，考慮車門受重力影響后，測量結果不能滿足要求。

3 總結

雖然理想狀態下的車門與側圍間隙值基本上都能滿足設計要求，但在車門自身重力和外加載荷的作用下,前門結構發生變形，之前設定的尺寸公差已不再滿足設計要求。因此，在設計階段將車門結構受力變形量考慮到公差設計分配當中是十分有必要的，在測量過程中要保證采集數據的真實性，一定要在實際工況下進行測量。

在對車門剛度的研究方面，一般是采用實驗載荷來進行分析。由于周期、成本和樣品等問題，其得到的車門內外板剛度實驗和分析結果與實際裝配條件下的車門剛度薄弱位置存在一定的偏差。在盡量將車門剛度控制在合理范圍內的同時，車門變形后的尺寸公差未必能夠滿足設計、功能和安全性要求。而采用CAD和CAE系統相結合的計算機輔助公差設計與分析技術，是解決相關問題的一種有效手段。

［1］ 劉壯.基于VisVSA技術的汽車裝配公差分析［J］.材料工藝設備，2011（1）:57-61.

［2］ 陳國華.基于有限元的汽車車門靜態強度剛度計算與分析［J］.機械制造與自動化，2006，35（6）:21-24.

［3］ 劉彥軍.基于VisVSA軟件的汽車車門結構公差設計研究［D］.長春：吉林大學，2011.

［4］ 李紅艷,王翠,剛憲約.轎車車門的有限元分析 ［J］.機電工程技術,2007，34（12）:22-24.

［5］ 劉壯.基于 VisVSA技術的汽車裝配公差分析［J］.汽車技術，2011（1）:57-61.

［6］ Charles Liu.Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods ［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering， 1997，119（8）.