低成本汽車車身試制夾具的敏捷開發

陳建，顧成波，王國春

(廣西艾盛創制科技有限公司，廣西柳州 545616)

0 引言

汽車制造業是我國經濟重要支柱產業，體現了經濟發展水平與國家競爭力。汽車的開發過程中，設計人員需要制作20～200臺的樣車進行工藝、法規實驗、性能試驗、標定等驗證，是極其重要的一個環節。其中，焊接是汽車的四大工藝之一，車身的試制離不開焊接工藝及其配套的夾具。隨著汽車消費進入消費4.0時代，汽車成為手機一類的快消品，加之百度、小米等互聯網勢力的介入,目前的汽車行業競爭逐步進入了白熱化階段，降低開發成本與縮短開發周期，已經成為行業面臨的共同課題。

低成本、短周期的車身試制夾具，主要需要從柔性化、結構輕量化設計、標準化設計等方面進行研究，旨在提升效率，加強結構設計的一致性，縮短場內外制造夾具的時間，又好又快地滿足車身樣件的試制開發。

1 汽車車身試制夾具的柔性化

目前，在汽車制造工業中，焊接夾具是焊接工藝中不可或缺的重要部分，夾具設計的質量直接影響焊接效率與質量。樣車的試制過程不同于大批量制造，有著很明顯的縮量過程，柔性化的結構設計是試制夾具降低成本的首要考慮因素。

柔性焊接夾具是指一套夾具能夠適應不同的多種焊件，廣義的組合夾具到狹義的可調整夾具都能歸入柔性的概念中。模塊化夾具、可調整夾具以及組合夾具等柔性夾具已運用于各大汽車主機廠。日本豐田、美國通用、德國大眾、東風汽車、長城汽車、上汽通用五菱等國際國內汽車公司通過車身焊接夾具采用了“模塊化”“柔性化”設計、在柔性焊接線上布置多工位柔性焊接夾具、利用滑動導軌與移動設備開發了柔性焊接夾具等方式，提升了柔性化制造水平，促進了產量進一步提升。圖1為柔性化夾具促進柔性化制造。

圖1 柔性化夾具促進柔性化制造

上述柔性化的夾具基本是基于模塊化思想開發的組合夾具。組合夾具的核心思想是，基于夾具標準化和模塊化，由一整套根據經驗在開發前已經制造好的標準夾具零部件，面向各類產品零部件，根據需求裝配而成各類專用夾具，夾具使用完畢后，再拆散成元件和組件[1]。

組合夾具將各種夾具元件靈活地組合起來，節省了大量的設計、制造、調試時間，產品產出效率得到了較大的提高。同時，采用組合夾具完成工藝過程，可大幅度降低組裝時間，減少了生產準備時間，大大提高了生產效率。

試制的夾具可以借用這一思維，但是仍然存在需要改進和提升的地方。主要體現為組合夾具與專用夾具相比，輕量化做得較差，且體積龐大、質量較大，使用與運轉較為困難。

2 汽車車身試制夾具的輕量化設計

2.1 車身夾具的主要結構分解

試制夾具的開發，主要包含設計、制造、組裝調試、使用等過程。一套完整的柔性試制焊接夾具一般包含若干夾緊單元(POST)、底板(BASE)、舉升機構(LIFTER)以及旋轉機構[2]。具體而言，主要由底板、過渡板、支撐座、定位塊、限位塊、夾鉗、夾鉗支座等組成，如圖2所示。

圖2 典型的試制夾具組成

底板的輕量化主要是降低板厚、提升材料的牌號，通過組合的方式實現不同項目之間的重復利用。提高重復利用降低成本的做法，主要是保證不同新車型零部件總成的定位和支撐結構安裝的需要，在夾具底板平面上預留間隔為50 mm或100 mm。夾具的定位支撐結構通過連接板與底板連接，不同試制項目的定位機構通過更換連接板，以此來實現夾具底板的多次重復使用。

2.2 基于拓撲優化的低成本定位與夾緊機構設計

根據不同的定位與夾持策略，試制夾具需要在底板上設計開發許多定位機構與夾持機構，二者相加也稱為托架。現有的托架設計開發，往往根據經驗而未能做到精細化設計，因此，大多顯得笨重且柔性化程度也不夠，如圖3所示。

圖3 相對笨重的夾具托架部分結構

拓撲優化在汽車的整個開發流程中已經得到廣泛地運用，并經過了實際的驗證，取得了很好的效果。Optistruct是美國Altair公司的旗艦產品，是一個面向產品設計、分析和優化的有限元和結構優化的求解器，有著全世界最先進的優化技術，提供著最全面的優化方法。它通過退化法中的變密度法來進行拓撲優化，是目前認為能夠解決普遍工程問題且求解最為穩健的方法[3]，主要流程如圖4所示。

圖4 輕量化優化設計流程

Optistruct支持全面的優化類型，包括概念設計階段的優化和詳細設計階段的優化，可以解決各種復雜的結構優化問題，將各種產品性能響應，如質量、體積、質量比、體積比、應力、應變、位移等作為目標或者約束。

輕量化、更精細的結構有利于成本的降低。根據現有的結構，結合拓撲優化的手段進行結構優化。在UG軟件中將夾具模型導出為STP文件，將STP文件導入到Hypermesh中，在Hypermesh中對夾具模型進行幾何清理，然后對模型進行CAE建模，建模過程考慮以下的因素。

(1)單元類型。通過綜合考慮單元分析類型與求解精度等，來選擇單元類型。對模型中的夾具實體模型均采用六面體單元進行網格劃分，六面體單元賦予CHEXA類型。

(2)單元尺寸。模型的單元數量由單元尺寸所決定，且分析時間和結果受網格數量影響。雖然網格數量越多，其計算的結果越精確，但是會由于數量較多而增加計算分析的時間。當網格單元尺寸小到一定程度時，其分析計算的精確度已經高至很難提高了，這時如果再將單元尺寸進一步地細化，不僅計算精度不會有很大的提高，而且計算分析時間還會大幅度的增加。文中由于僅對一個夾具進行分析，模型整體尺寸不大，考慮到模型精度，對其使用實體單元尺寸為4 mm的網格進行劃分。

(3)模型連接。在夾具模型中，各個零件間的力通過它們間的連接進行傳遞，故在模型中對各個零件間的連接方式模擬也比較重要。在夾具連接中，主要連接方式為定位銷、螺栓，文中定位銷及螺栓連接方式均采用RBE2單元來模擬。

(4)完整的有限元模型。網格劃分完畢后，整個夾具總單元數量為198 309個，節點數量為47 233個，某總成夾具有限元整體模型如圖5所示。

圖5 試制夾具托架的CAE模型

(5)對夾具零件的六面體單元賦予實體屬性。由于文中對夾具僅進行靜力線性分析，因此僅輸入材料的線性階段屬性。此模型采用了45#鋼，其密度為7.85 g/cm3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

文中以質量最輕為目標，考慮總體剛度、夾持力等性能要求，對其進行拓撲優化設計，得到該夾具的空間材料布局，并根據優化結果對夾具進行減重。

經過8次拓撲優化迭代，各約束函數無限接近于設定值。迭代結束后，將拓撲優化結果文件導入后處理軟件中，查看拓撲優化的密度分布圖，即可得到夾具的優化結果。夾緊臂、定位塊、夾緊塊、夾鉗上的密度均勻，而支座上的密度較稀疏，故可以對支座進行減重，因此支座是進行重點輕量化的零件，可以嘗試將它去掉或者進行挖孔，如圖6所示。

圖6 試制夾具托架的結構輕量化優化迭代

根據多輪的拓撲可知，目前的夾具托架結構當中，肋板該區域受力較少，是可以精簡、去掉的部分。結合工程解讀，根據可加工的原則，夾具的托架可簡化為如圖7所示的結構。

圖7 工程解讀后的輕量化低成本拖架結構

優化結果將原夾具結構中的L型板優化為T型座，立板優化為兩支座，由原來L型座一側有支撐肋，另一側與立板進行連接，優化為不帶支撐肋的T型座，T型座通過兩側的孔與支座進行連接，而立板則是進行了拆分，將其分成兩塊支座，通過定位銷與螺栓與T型座進行定位連接。該優化結果不僅大大減少了質量、空間，而且其結構性能較優化前更好，并利用CAE仿真進行使用性能的復核。

剛度仿真中，優化前縱向剛度27 027 N/mm，側向剛度3 247 N/mm;優化后縱向剛度23 810 N/mm，側向剛度4 098 N/mm，可見優化后夾具剛度有所提升。夾具在不同工況下的位移云圖如圖8和圖9所示。

圖8 優化前后z向剛度位移云圖對比

圖9 優化前后x向剛度位移云圖對比

3 試制夾具的敏捷開發

樣車試制開發周期較短，夾具設計與制造均需要實現敏捷開發。基于客戶的產品3D數模，焊點資料，GD&T圖，技術協議，焊接流程圖，零件清單，結合“六點定位原理”，對試制夾具依據“由上而下”“先主后次”的順序設計。其中，“上”指的是以產品的基準孔和基準面作為起點，“下”指的是連接定位銷或支撐塊的一些過渡塊、支座、底板等。“主”指的是GD&T圖里面基準孔、基準面；“次”指的是一些輔助定位。

大體結構初步設計完成后，接下來的步驟是：整合，優化，細化。細化階段主要是基于已有的標準件，結合實際的使用需求，考慮人機互動進行結構的詳細設計，得到最終的敏捷開發車身試制夾具結構。圖10為敏捷開發支撐的成套車身某總成試制夾具。

圖10 敏捷開發支撐的成套車身某總成試制夾具

4 結束語

多品種、小批量是現階段汽車樣車開發的顯著特點。文中通過模塊化、柔性化開發思路，利用CAE拓撲優化手段，實現了車身試制夾具的敏捷開發。所開發的夾具結構，具備可快速拆卸、精度高、成本低、設計制造周期短、輕量化等特點，很好地實現了樣車車身的低成本、柔性化制造。