有限元技术在汽车尺寸控制领域的研究与应用

白云亮　戴宏骏　黄萃蔚

摘 要：有限元技术和光学扫描技术目前已经应用成熟并广泛应用于各个行业和企业，但两者结合应用目前还不多，尤其在汽车车身尺寸质量分析领域。本文分别从不同角度对车身单件匹配、总成零件装配以及测量基准调整三方面进行了应用探索，基于数字孪生数据进行有限元受力变形应用方向分析。

关键词：车身尺寸 有限元 光学测量 数字孪生

1 引言

随着光学测量技术的成熟与普及，在白车身及外覆盖件尺寸测量领域，光学全域型面测量技术已经成熟应用并在各个主机厂全面铺开。该技术的最大特点是能够快速高效的将零件型面进行数字化转化，获取高精度的零件数字孪生数据，用户可将该数据在后处理软件中进行分析比对，高效全面的完成车身及零件尺寸偏差的评价，进而对生产工艺及零件设计制造进行优化及改进。

如图1（a）所示，为光学全域测量在车身外覆盖件的全域尺寸测量数字孪生数据，该测量技术可根据预先编好的程序，快速的获取汽车四门、翼子板及前后盖等外覆盖件的数字孪生数据，将该数据与理论设计数据进行对比，进而直观的展现出零件制造偏差，指导优化。如图1（b）所示，为光学全域测量技术集成至白车身生产线中所获取的白车身数字孪生数据，该技术可根据产线生产节拍实时在线的完成白车身型面数字孪生数据的获取和转化，高效、高精度的实现白车身在线自动全域尺寸的监控目标。

随着在线和离线零件孪生数据的不断积累和完善，仅对该数据进行特定点位常规监控已不能满足车型快速迭代和多车型共线生产的质量监控需求，如何充分利用该全域测量数据，如何让该数据更好的为车身尺寸质量服务，已成为各大厂商的重点研究课题和方向。

2 有限元技术的介绍与引用

有限元是求解数理方程的一种数值计算方法，是将弹性理论，计算数学和计算机软件有机结合一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。本文将利用有限元技术，结合零件的数字孪生数据，从虚拟匹配，虚拟装配和辅助测量三面展开介绍。

2.1 有限元技术在冲压单件匹配分析中的应用

目前，冲压单件之间的匹配关系分析主要是通过实物的物理搭建完成，该种搭建方式成本高，周期长。随着光学测量技术的普及应用，能够很容易获取冲压件全型面点云数据，该数据能够高精度的反应零件的表面形状和尺寸缺陷。所以可利用零件的数字孪生数据进行虚拟匹配分析，进而代替实物的物理搭建。但数字孪生数据是刚性数据，不会像实物零件一样会受力变形，所以该种虚拟匹配方式精度还有待提升，然而有限元技术已经是成熟的受力变形手段，可尝试将有限元技术和数字孪生数据进行组合应用，完成基于有限元技术的数字孪生数据虚拟匹配目标，解决虚拟匹配过程中零件的形变问题。

如图2（a）所示，光学扫描设备获取零件的真实形状点云，两零件由于制造误差，在刚性虚拟匹配情况下，匹配面是离缝和干涉的，此种交叉干涉情况在现实焊接或铆接工艺中是不存在的，现实工艺中会在工装夹具力的作用下，将零件强制变形，从而达成匹配面的贴合，消除交叉和干涉。但在强制变形过程中，零件非匹配区域的形变是很难预测的，就会导致在后续工艺中零件超差，造成损失。如图2（b）所示，结合有限元软件，在软件中加载与真实情况相同的边界约束条件，经过有限元求解，将两个实际零件的数字孪生数据进行受力变形，输出两个有缺陷零件虚拟匹配后的变形结果，根据此变形结果可进行提前尺寸预测，进而对零件工装和自身尺寸进行优化。

2.2 有限元技术在总成件虚拟装配领域的应用

在车身外覆盖件安装过程中，由于零件的制造误差，往往会由于装配尺寸或匹配尺寸偏差导致装配过程中零件受力变形，该形变会最终会体现在车身匹配中。例如，前后门、后门与侧围，翼子板与前门等缝隙过大或过小，平整度超差等。由于分拼中零件無法得知对手件的状态和受力变形后零件状态，所以此种缺陷在分拼总成中是很难被准确检测或预测到的。目前采用的检测和预测方式主要是通过实物零件的搭建或装配方式进行验证，此种方式成本高，周期长，搭建过程中需要耗费大量的人力物力。所以虚拟搭建或虚拟装配一直是行业尝试的研究方向，此前的虚拟装配主要是刚性装配，即不考虑零件的受力变形，忽略受力变形会导致虚拟分析结果和物理搭建结果精度差异较大，无法有效的对零件尺寸优化给出有效准确指导意见。

本文重点介绍有限元技术在虚拟装配中的尝试应用，如果可以将有限元技术与实际数字孪生数据结合，进行虚拟装配，同时在软件中实现装配过程中产生的受力变形，即可精准高效的进行装配尺寸预测和验证。

如图3（a）所示，由于侧围的制造偏差和装配误差所致，在车身状态下，侧围在匹配处高于后门，在车身质量控制中，此类缺陷属于重大缺陷类型，匹配处倒高（后高于前）会导致车辆在高速行驶过程中风阻增大，风噪过大，直接影响用户体验。此类缺陷的返修措施一般是通过调整安装状态或强制零件微变形手段解决，但此种方式存在不确定性，极有可能缺陷处问题被解决的同时，由于零件形变会带来其他匹配处出现缺陷。传统的解决方式是通过实物零件和特殊工装，反复调整和优化，找出最佳的调整点和调整量。但该种方式同样存在周期长，效率低的弊端。如图3（b）所示，可利用有限元技术，在零件实际数字孪生数据中加载模拟现实中的边界条件，在软件中将倒高处抱怨进行虚拟强制位移，通过零件的整体变形情况分析，预测可能带来的影响，从而给出精确的调整位置和调整量。此种虚拟分析手段能够有效解决零件受力变形问题，同时分析周期短，无需实物零件和人工搭建，大大的降低了调整优化成本，提高虚拟装配的预测精度。

2.3 有限元技术在车身件测量领域的应用

在很多车身外覆盖件总成中，测量基准和零件支撑位置不在同一零件上，由于重力作用和制造偏差，导致测量基准超差。在测量方面，需通过测量支架调整机构反复手动调整测量基准至公差内，如图4（a）所示，该种方式浪费时间和测量能力；在精度方面，手动调整无法将测量基准调至0位，会导致测量结果精度损失。在测量支架设计方面，由于被测零件结构不同，每个零件都需要配有自己的测量支架，无法进行高度柔性化设计，导致支架成本高，占地大。

基于如上弊端，可将有限元技术结合测量数据进行微调整。如图4（b）所示，利用有限元技术，基于零件的全域测量点云数据，进行虚拟调整，替代测量过程中手动调整工作，虚拟调整可精准调整至0位，根据虚拟调整后的数据即变形后的点云数据，出具测量和分析报告。该种方式可取消传统测量过程中的反复调整工作，而且能够满足额外的分析需求。例如可将任意指定点变形至指定位置，可提供更多的分析验证可能性。除此之外，每次虚拟调整都可认为是取代了一种新的测量检具或结构，可简化对物理检具或支架多样性的依赖度。同时，虚拟调整技术还可促进冲压单件及总成测量支架检具高度柔性化、数字化迭代进程。

3 总结与展望

有限元技术和光学扫描技术目前已经应用成熟并广泛应用于各个行业和企业，但两者结合应用目前还不多，还不够深入，尤其在汽车车身尺寸质量分析领域。本文分别从不同角度对车身单件匹配、总成零件装配以及测量检具优化简化三方面进行了应用探索，基于数字孪生数据即实际型面进行有限元受力变形应用分析，该种有限元应用场景的数据源不再是理论无偏差的CAD数据，而是真正的实物零件点云数据，最大的突破是仿真结果体现的偏差无限接近实际结果，预测精度等到大幅度提升，该精度等级能够满足尺寸监控需求，指导零件进行优化和调整，相比于传统的有限元趋势预测和定性分析，本文介绍的方法在车身某些领域实现了高精度定量分析，为未来的数字化和智能化质量监控提供了更多可能性。

参考文献：

[1]白云亮等.Atline光学在线绝对测量技术在白车身尺寸測量及监控领域的研究与应用.时代汽车.2020（09）.

[2]冯新建等.ANSYS有限元技术在汽车密封条设计中的应用.机械管理开发.2020（10）.

[3]钱银超等.汽车车门有限元分析即综合性能优化.机械设计与制造.2018（07）.