數(shù)字模型氣密性檢測(cè)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(guó)內(nèi)數(shù)字模型氣密性檢測(cè)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(cè)；擬探測(cè)

車輛的氣密性問題，主要由設(shè)計(jì)缺陷和制造公差等原因引起。在現(xiàn)實(shí)的研發(fā)與生產(chǎn)實(shí)踐中，汽車車身由上千個(gè)零部件組成，開發(fā)人員設(shè)計(jì)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(jì)缺陷。設(shè)計(jì)缺陷主要是指協(xié)同設(shè)計(jì)之間的配合問題、設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，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(jì)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(huì)導(dǎo)致在未來生產(chǎn)中真實(shí)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(huì)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(hào)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(cè)檢查出相對(duì)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(cè)，泄漏實(shí)驗(yàn)或稱煙霧試驗(yàn)（見圖2），超聲檢測(cè)（見圖3），或紅外檢測(cè)試驗(yàn)等探測(cè)（見圖4）。但后期發(fā)現(xiàn)氣密性缺陷的整改費(fèi)用龐大。

在多數(shù)情況下，因?yàn)閺?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(jì)問題在研發(fā)后期難以整改。被動(dòng)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(shí)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(jì)初期孔洞間隙的檢查顯得非常重要。目前，對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)孔洞間隙等設(shè)計(jì)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(jì)質(zhì)量，高效全面地對(duì)三維設(shè)計(jì)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(cè)方法，或者數(shù)字模型氣密性檢測(cè)軟件的開發(fā)和應(yīng)用就十分必要了。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)數(shù)字模型氣密性檢測(cè)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(diǎn)

數(shù)字模型氣密性檢測(cè)技術(shù)，其原理即為通過對(duì)產(chǎn)品數(shù)字模型的計(jì)算解析，快速高效全面的識(shí)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(dú)有體網(wǎng)格自動(dòng)劃分不均等空間離散精度迭代細(xì)化空間分割法對(duì)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?yàn)榭锥撮g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(shí)別孔洞間隙，最主要的原因是因?yàn)榫W(wǎng)格如果劃分得太小則會(huì)使網(wǎng)格數(shù)成幾何數(shù)量增長(zhǎng)。進(jìn)而使計(jì)算量無限大，使計(jì)算機(jī)無法計(jì)算。例如一輛汽車，長(zhǎng)4m、寬2m、高1.5m，體積V≈12m3。當(dāng)將其劃分成邊長(zhǎng)1mm的網(wǎng)格，那么數(shù)量為120億個(gè)。如此數(shù)量的網(wǎng)格，幾乎沒有計(jì)算機(jī)可以計(jì)算。然而用leak find的方法進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)，同樣切分最小網(wǎng)格1mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量?jī)H6800萬左右。相比于國(guó)外同類產(chǎn)品，該軟件的計(jì)算速度要快200倍，即整車計(jì)算只需要10min左右，而國(guó)外同類軟件約需要一周左右時(shí)間。

實(shí)施方法步驟

1.數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)備

檢驗(yàn)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(jì)算效率，對(duì)與氣密性無關(guān)的部件進(jìn)行清理，如發(fā)動(dòng)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(dòng)leak finder軟件

導(dǎo)入整車三維數(shù)字模型（見圖7），對(duì)模型進(jìn)行初始化，手動(dòng)指定位于數(shù)字模型內(nèi)的一點(diǎn)為起始點(diǎn)，開始對(duì)模型進(jìn)行逐級(jí)提高計(jì)算精度，該軟件根據(jù)主機(jī)廠的精度要求，設(shè)置1～11級(jí)精度，每提高1級(jí)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(xiàng)目預(yù)設(shè)的的精度是1/210m的孔洞解析精度的運(yùn)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(diǎn)、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(shí)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(bào)告。因?yàn)槊總€(gè)泄漏點(diǎn)均有坐標(biāo)，所以可以輕松識(shí)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(bào)告，作出相關(guān)的項(xiàng)目總結(jié)。

應(yīng)用實(shí)例

以某項(xiàng)目白車身為例做模擬檢測(cè)。為提高效率，對(duì)該白車身分成四個(gè)區(qū)域檢測(cè)，對(duì)稱部分不用重復(fù)計(jì)算，該項(xiàng)目要求的精度為檢測(cè)＜1mm的孔洞， 運(yùn)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(cè)效率提升的關(guān)鍵，與國(guó)外同類軟件相比，網(wǎng)格數(shù)量減少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算負(fù)荷大幅降低，計(jì)算效率成倍提升，最終檢測(cè)總孔洞數(shù)≥100個(gè)。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(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用leakfinder軟件對(duì)整車數(shù)字模型氣密性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果可高效、準(zhǔn)確、全面地對(duì)孔洞間隙等設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行識(shí)別，并作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)整改和優(yōu)化。經(jīng)過氣密性檢測(cè)和設(shè)計(jì)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(yàn)，確認(rèn)車輛可提升一個(gè)防腐等級(jí)。

結(jié)語

隨著汽車技術(shù)進(jìn)步，客戶對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)汽車研發(fā)技術(shù)的提升有顯著意義。

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