王 威，王 珉，胡俊聰，鮑益東，金 霞，陳文亮

(南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016)

汽車車身制造質量的提高是汽車工業(yè)不斷發(fā)展的方向之一.汽車車身主要由車身結構件和車身覆蓋件組成，從零件的沖壓成型、白車身焊接到汽車覆蓋件的裝配都必須經過嚴格的控制.從結構形狀以及尺寸角度來看，汽車覆蓋件具有結構尺寸大、相對厚度小、形狀復雜、輪廓內部帶有局部形狀、表面質量要求高等特點.汽車覆蓋件是車身制造生產的關鍵環(huán)節(jié)，從外部觀感到內部裝配，每個環(huán)節(jié)都讓各大汽車主機廠越來越重視.

在汽車覆蓋件的裝配過程中，汽車覆蓋件匹配應保持位置的準確與間隙的一致性.汽車覆蓋件扣合后處于閉合狀態(tài)，內部緩沖裝置和剛性連接裝置的作用導致汽車覆蓋件的彈性變形.另外，汽車覆蓋件自身存在加工誤差，導致整車裝配中汽車各覆蓋件之間存在較大的間隙與面差[1].此時，需要結合汽車尺寸基準定位系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車覆蓋件裝配后的變形調整，最終判斷汽車覆蓋件是否符合裝配要求.而目前，手動進行變形調整的時間長、效率低、準確度低，在汽車研發(fā)周期縮短、成本降低的大環(huán)境下，成為整車尺寸匹配優(yōu)化的一個短板.針對上述問題，相關學者對汽車覆蓋件從成型到裝配的過程進行了大量研究.

隨著數(shù)值仿真技術的進步，相關學者對汽車覆蓋件的起皺、破裂、回彈缺陷等方面開展了一系列的研究[2-3]，汽車覆蓋件成型方面的主要目的是預測材料的變化方向以及確定汽車覆蓋件的成型工藝，從而保證裝配在車身上的汽車覆蓋件達到加工質量的要求.

自從美國汽車制造業(yè)2 mm工程[4]以來，汽車制造質量受到高度重視，汽車質量標準和測量技術的進步，提高了車身制造精度和汽車覆蓋件的裝配精度.車身外觀質量的評價內容主要包括零件公差[5]、表面光潔度[6]及裝配公差[7].德國大眾汽車公司推行的基準點系統(tǒng)(RPS)[8]，以及其他車型的尺寸工程[9]與定位基準系統(tǒng)[10]的應用，有效地提高了汽車車身制造質量和效率；汽車覆蓋件的間隙與面差測量技術從機械接觸式、三坐標測量機、激光檢測技術[11]逐漸發(fā)展到計算機視覺測量[12].

虛擬裝配技術通過軟硬件實現(xiàn)汽車裝配的虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進行汽車裝配設計及裝配檢驗.趙云等[13]實現(xiàn)了在虛擬環(huán)境中對汽車部件進行裝配設計、檢驗及尺寸測量的過程.Yu等[14-15]提出一種用于汽車覆蓋件裝配質量分析的汽車車身鈑金零件的裝配變分建模方法，可用于預測汽車覆蓋件的裝配質量及優(yōu)化定位單元.潘碧琰和朱志穎等[16-17]提出基于PolyWorks的虛擬匹配方法，主要研究兩個零件匹配面之間的虛擬匹配關系，實現(xiàn)對汽車零件匹配質量的提前評估.

然而在實際汽車覆蓋件的裝配過程中，仍然需要人工手動進行汽車覆蓋件的裝配驗證工作，主要原因如下：① 汽車覆蓋件的成型研究日趨完善，但由于加工誤差等因素的存在，同一型號的不同加工件與理論模型之間必然存在差異，所以需要對每一個加工件進行裝配驗證工作，確保其滿足裝配要求；② 雖然測量技術日益精進，但在汽車覆蓋件裝配的過程中仍然存在視野盲區(qū)，無法探測裝配過程中封閉區(qū)域內部的具體情況；③ 將虛擬仿真技術引入汽車裝配中，解決了測量設備無法探測封閉區(qū)域的問題，但是目前針對汽車覆蓋件裝配方面的研究主要集中于兩零件之間的形位匹配關系，無法解決汽車覆蓋件裝配于車身時，不僅要滿足汽車覆蓋件與周邊部件的匹配關系，還要考慮剛性連接裝置和可調整裝置對汽車覆蓋件產生的影響，進而對汽車覆蓋件進行具體調整，并最終判斷汽車覆蓋件的裝配情況.

綜上所述，提出在虛擬環(huán)境中基于有限元仿真技術實現(xiàn)汽車覆蓋件與車身匹配的方法.實現(xiàn)汽車覆蓋件從人工裝配到虛擬匹配的過渡，解決在虛擬環(huán)境下汽車覆蓋件定位點的位置測量、仿真內部緩沖件和連接裝置的變形，以及多個可調整零件之間的虛擬匹配調整過程，最終根據(jù)裝配結果判斷汽車覆蓋件是否滿足裝配要求.在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)驗證汽車覆蓋件裝配的全過程，能夠減少技術人員的驗證時間，提高工作效率.

1 汽車覆蓋件虛擬匹配方法

1.1 虛擬匹配方法需解決的問題

汽車覆蓋件加工成型后，需要在裝配測量車間進行裝配試驗，以驗證是否滿足裝配要求，作為汽車覆蓋件之一的汽車引擎蓋需要經過3～5 h才能驗證該零件是否滿足裝配要求.首先，技術人員通過裝配夾具或者連接件將汽車覆蓋件裝配在特定的支架上，如外綜合匹配樣架(AMB)，通過三坐標測量機等測量設備對裝配的汽車覆蓋件基準點位置進行反復測量；然后，通過測量獲得的數(shù)據(jù)與理想裝配下理論數(shù)值模型的位置數(shù)據(jù)進行對比，技術人員獲取測量位置的偏差值；接著，根據(jù)裝配工藝對可調整件進行多次調整，使得汽車覆蓋件能夠達到裝配要求，測量裝配完畢的汽車覆蓋件，獲得汽車覆蓋件周邊位置與理論裝配下的偏差數(shù)據(jù)；最后，記錄不能達到裝配要求的汽車覆蓋件，以及達到裝配要求的汽車覆蓋件的周邊形變量.

針對上述過程，在虛擬環(huán)境中需要解決的問題有：① 汽車覆蓋件裝配在AMB模型上，如何簡化人工裝配的過程；② 如何仿真內部剛性連接件及彈性變形件的作用方式；③ 如何實現(xiàn)各可調整零件的調整過程，并確定各可調整零件對汽車覆蓋件的作用關系；④ 如何實現(xiàn)裝配后汽車覆蓋件上的基準點位置檢測；⑤ 如何將汽車覆蓋件從初始裝配狀態(tài)調整到滿足裝配要求的狀態(tài)，并輸出汽車覆蓋件周邊樣本點的偏差值.

1.2 基于有限元分析的虛擬匹配方法

針對上述問題，采用有限元仿真虛擬匹配方法(VMBFEA)，其流程如圖1所示，具體過程如下.

圖1 VMBFEA流程圖Fig.1 Flow chart of VMBFEA

(1) 確定具體汽車覆蓋件的實際裝配調整要求，并獲取相關零件的零件模型和材料模型.每個汽車覆蓋件都具有不同的樣本點及基準點位置，其相應的調整要求也存在差異性，需要確定該汽車覆蓋件在實際裝配過程中的可調整零件、基準點位置、調零要求等信息.零件模型若存在許多狹小的點線面特征，會導致有限元分析過程難以收斂，因此需要簡化這些零件模型，通過試驗或標準件的材料參數(shù)建立材料模型，以準確仿真變形件的真實變形量.

(2) 在有限元分析的虛擬環(huán)境下進行初步虛擬匹配過程仿真.將汽車覆蓋件網(wǎng)格化模型置于理論裝配位置，AMB模型離散成直接作用于緩沖件的離散模型，連接在汽車覆蓋件的緩沖件裝配在汽車覆蓋件上，連接在AMB模型上的緩沖件裝配在離散模型上.汽車覆蓋件與AMB模型之間的剛性連接件可通過位移約束實現(xiàn).將離散模型由不干涉位置移動到其理論裝配位置，實現(xiàn)初步虛擬匹配過程.

(3) 汽車覆蓋件初始虛擬匹配后的基準點調零過程.該過程主要對可調整零件進行微調，直到基準點位置達到汽車覆蓋件的裝配要求.離散AMB模型可結合與其接觸的可調整零件模型，通過改變離散模型的位置，實現(xiàn)對于可調整零件的微調.由于各可調整零件在調整過程中對汽車覆蓋件裝配結果的影響不同，各零件之間存在相互作用關系，故可通過敏感度分析找到具體可調整零件的調零策略.

(4) 分別獲取人工和虛擬匹配調零后的汽車覆蓋件模型周邊的樣本點數(shù)據(jù)，針對不同汽車覆蓋件的匹配質量判斷標準，記錄與分析樣本點數(shù)據(jù).

需要說明的是，在虛擬匹配過程中，無需通過人工對汽車覆蓋件進行大量的剛體位移調整.將汽車覆蓋件的初始位置置于理論模型的裝配位置，在初始狀態(tài)下原本處于理論位置的AMB模型及其他作用在模型上的剛性連接件、彈性變形件等零件，會與汽車覆蓋件之間產生干涉.考慮到可調整零件及不可調整零件，故將AMB模型離散為作用于各接觸零件的離散模型，以解決干涉問題.最后，將AMB離散模型移動到理論位置處，仿真分析彈性零件受擠壓變形和汽車覆蓋件產生彈性變形的過程，完成前期裝配過程.

由于基準點位置的變化是以理論模型中的基準點位置作為參考，所以在虛擬匹配過程中，直接將汽車覆蓋件置于理論裝配位置，省去模型大量的剛體位移及其導致的位置關系換算，直觀地對比汽車覆蓋件變形前后的差異性.

以汽車引擎蓋作為研究對象，通過分析其輸入輸出要求，按照上述VMBFEA，基于商業(yè)有限元分析軟件Abaqus完成仿真模型的構建及其裝配調整過程的仿真.

1.3 汽車引擎蓋裝配的輸入輸出要求

汽車引擎蓋與車身的匹配主要通過前端鎖扣與后端鉸鏈進行剛性支撐，兩側的緩沖塊與前后的密封條進行局部彈性支撐.可調整的零件包括前端鎖扣、后端鉸鏈及兩側緩沖塊.其中：前端鎖扣通過改變鎖的z向位置進行調整；后端鉸鏈可進行x、y、z方向的調整；緩沖塊則只能通過旋擰的方式來進行z向的調整.汽車引擎蓋與相關匹配件的情況如圖2所示.

圖2 汽車引擎蓋及其相關匹配件Fig.2 Automotive hood and its related matching parts

汽車引擎蓋在安裝后處于閉合狀態(tài)，重力場、緩沖塊及密封條零件受擠壓而變形，引起汽車引擎蓋產生彈性變形，導致基準點位置發(fā)生偏離.因此，需要手動對可調整零件進行調整，使得引擎蓋在安裝閉合的狀態(tài)下實現(xiàn)基準點的重新置零，并選取引擎蓋上的樣本點進行位置檢測，以確定引擎蓋的變形程度，進而確定汽車引擎蓋與車身之間的匹配度.汽車引擎蓋上的基準點如圖3所示，其中：z方向垂直紙面朝里；RPS為基準點系統(tǒng)的簡標；R為參考點的簡標；數(shù)字為編號標記；F為主定位面特征字母; T為兩個輔助支撐點的對稱特征字母;x、y、z為整車坐標系中的定位方向.

圖3 汽車引擎蓋的基準點位置Fig.3 Reference point positions on automotive hood

汽車引擎蓋基準點的調整置零要求：① 汽車引擎蓋前端的z向基準點R1/R2/R3，調整后的位置相對于初始狀態(tài)(放置在測量支架上)而言，z向偏差的絕對值 |δ| 要小于0.2 mm.經測量發(fā)現(xiàn)初始狀態(tài)的模型與數(shù)模理論狀態(tài)(理想模型裝配位置)的 |δ| 在0.001 mm級別，故調整后的位置相對于數(shù)模理論狀態(tài)的位置而言，|δ| 小于0.2 mm即可.② 除了RPS101fz的 |δ| 需要調整到0.2 mm以內，對于其他位置的基準點而言，調整后的 |δ| 在0.1 mm以內.實際試驗調整后 |δ| 的輸出要求值如表1所示.

表1 輸出要求范圍值Tab.1 Range values required by outputs

1.4 汽車引擎蓋的虛擬匹配過程

基于VMBFEA，將汽車引擎蓋模型的初始狀態(tài)置于其理論裝配位置， 然后將AMB模型離散為作用于各接觸零件的離散模型.在仿真過程中，將各AMB離散模型從初始狀態(tài)的不干涉位置移動到其理論裝配位置，內部的緩沖塊及密封條在AMB離散模型位置變化的過程中受擠壓而變形，從而將作用力反作用于汽車引擎蓋，導致其產生形變，最終將發(fā)生形變的汽車引擎蓋根據(jù)基準點的偏差值將其調整置零.

將AMB離散模型簡化為與汽車引擎蓋間接相互作用的多個剛體模型，具體步驟如下：① 將作用于密封條的AMB局部模型簡化為直接作用于密封條的剛性板模型，仿真過程從初始狀態(tài)移動到理論裝配位置，以仿真密封條的受擠壓變形過程；② 緩沖塊是可調整零件，通過旋擰減小或增大自身的變形量，因此將作用于其上的AMB模型離散為作用于每個緩沖塊上的剛性板模型，通過調整剛性板的上下移動，實現(xiàn)緩沖塊的旋擰調整；③ 鉸鏈及鎖扣位置均通過剛性連接件實現(xiàn)汽車引擎蓋與AMB模型的連接，故對汽車引擎蓋上的連接區(qū)域進行位移約束.

基于Abaqus進行仿真分析，建立材料及零件模型，設置工況信息與邊界條件.對汽車引擎蓋模型施加平行于z向朝下的重力場，以仿真實際工況中的重力影響；對鉸鏈和鎖扣設置位移約束，以仿真剛性連接件的作用方式.

由于裝配過程中各零件作用方式不同所引起的汽車引擎蓋的變形結果不同，所以將分析步驟分為多個階段，依次將裝配零件添加到分析模型中，進行遞進分析并完成汽車引擎蓋的初始裝配，初步獲取各零件對汽車引擎蓋變形的影響.

通過敏感度分析獲得每個可調整零件在調整時對汽車引擎蓋基準點位置產生的影響；總結汽車引擎蓋基準點調零的調整策略，并基于此策略對裝配模型進行基準點調零；獲取汽車引擎蓋周邊樣本點z向偏差值，與試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證所提方法的可行性與有效性.

2 汽車引擎蓋的虛擬匹配仿真分析

2.1 材料模型

作為車身的主要汽車覆蓋件材料，汽車引擎蓋多采用高強度鋼板，從胚料到沖壓成形、模具制造到模面優(yōu)化、薄板扣合到缺陷修正等過程都經過嚴謹?shù)难芯糠治?選用高強度鋼板材料，其彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.8 g/cm3.

汽車密封條是汽車裝配中必不可少的零部件，其不僅具有良好的密封性及降噪防水作用，而且能夠起到良好的緩沖作用.但橡膠密封條種類繁多且具有不同的實用性，主要包括密實橡膠、海綿橡膠和復合橡膠.作為一種超彈性材料，橡膠密封條具有非常復雜的非線性彈性關系，即本構關系是非線性的，主要有Mooney-Rivlin、Ogden、Yeoh等應變能密度函數(shù)模型，相關學者對橡膠材料基于有限元仿真分別從結構、模型參數(shù)、設計應用等方面進行了研究分析[18-19].基于以上研究內容，分析實例以密實橡膠和海綿橡膠為主，分別采用Mooney-Rivlin模型和Ogden模型.

(1) Mooney-Rivlin模型可設置多參數(shù)，一般設置為兩個參數(shù)，則

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W為應變能密度函數(shù)；C10和C01為通過經驗確定的物質常數(shù)，即材料常數(shù)；I1、I2為變形張量不變量，通過單軸拉伸和平面剪切試驗數(shù)據(jù)擬合獲得.取材料參數(shù)C10=1.281 7 N/mm2，C01=0.321 7 N/mm2.

(2) Ogden模型中，λj表示應變能密度中的主伸長比，j=1,2,3，則

(2)

式中：J=λ1λ2λ3；μp、αp、βp為材料常數(shù)，其值可通過擬合材料的應力-應變試驗(單軸拉伸、平面剪切和體積試驗)數(shù)據(jù)獲得.取n=3，即3階Ogden本構模型，所選取的材料常數(shù)如表2所示.

表2 海綿橡膠材料參數(shù)Tab.2 Parameters of sponge rubber material

2.2 零件與網(wǎng)格模型

緩沖塊模型通過旋擰裝配在汽車引擎蓋上， 故緩沖塊的原模型含有復雜曲面的螺紋特征. 從有限元分析的角度而言， 導入原模型易出現(xiàn)不精確的幾何實體，導致劃分網(wǎng)格質量較差甚至劃分網(wǎng)格失敗，直接影響模型分析結果的準確性.因此，在整體尺寸保持不變的前提下，對原模型進行簡化，如圖4(a)所示.

為提高緩沖塊的網(wǎng)格質量，進行幾何元素拆分，使其能夠基于六面體結構化網(wǎng)格技術進行劃分；由于緩沖塊具有超彈性且可近似為不可壓縮材料，所以設置網(wǎng)格類型為八結點線性六面體雜交單元；將緩沖塊底部與汽車引擎蓋內的匹配件之間建立耦合約束，近似仿真緩沖塊對汽車引擎蓋的作用方式.緩沖塊及其他零件網(wǎng)格模型的具體參數(shù)如表3所示.

前端密封條模型的整體形狀較為簡單，通過螺栓固定在引擎蓋上，可除去螺孔部分通過綁定約束實現(xiàn)螺栓的作用方式.與引擎蓋的固聯(lián)部分采用密實橡膠材料，空心部分采用海綿橡膠材料，其具體簡化模型結構如圖4(b)所示.

前端密封條包含兩部分材料，即空心部分的海綿橡膠及固聯(lián)部分的密實橡膠；將簡化的密封條模型拆分為兩部分，并對兩部分分別進行幾何元素拆分，使其能夠基于六面體結構化網(wǎng)格技術進行劃分，從而提高網(wǎng)格質量；另外，前端密封條同樣是超彈性材料，具有不可壓縮性，因此將網(wǎng)格類型設置為八結點線性六面體雜交單元.

后端密封條為復合橡膠材料，包括海綿橡膠、密實橡膠、金屬骨架，通過卡緊結構裝配在AMB模型上.簡化模型時，將底部設置為密實橡膠材料，上部設置為海綿橡膠材料，其具體簡化模型如圖4(c)所示.

后端密封條的網(wǎng)格劃分過程與前端密封條的網(wǎng)格劃分過程類似.需要注意的是，后端密封條固聯(lián)在AMB模型上，且后端密封條是不可調整零件，故不需要構建AMB離散剛體模型，而是直接將其置于理論位置處，對后端密封條的底部表面設置邊界條件，使底部表面在整個分析過程中固定不動.

圖4 各零件簡化模型Fig.4 Simplified models of different parts

零件名零件個數(shù)網(wǎng)格類型網(wǎng)格單元數(shù)內匹配件 1S4R四節(jié)點線性曲面殼單元27641外匹配件 1S4R四節(jié)點線性曲面殼單元12395后端密封條1C3D8H八結點線性六面體雜交單元12384前端密封條2C3D8H八結點線性六面體雜交單元15417緩沖塊 4C3D8H八結點線性六面體雜交單元14272剛體件 6C3D8八結點線性六面體單元4260

引擎蓋包含外匹配件和內匹配件，兩者通過焊接和膠結裝配在一起， 周圈邊緣通過翻邊扣合固結在一起.由于引擎蓋的厚度非常薄，所以將其簡化為殼單元，同時設定其厚度，利用一定接觸距離內的綁定約束仿真內外匹配件焊接、膠結、扣合的裝配方式，具體簡化模型如圖4(d)所示.

引擎蓋的形狀復雜，對其進行基于四邊形為主的自由網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格類型設置為四節(jié)點線性曲面殼單元；在曲面曲率變化較大的地方進行網(wǎng)格細化，其他曲面光滑的區(qū)域設置網(wǎng)格邊長為10 mm；經過網(wǎng)格檢查，滿足實際仿真的精度需求，并通過多次分析獲得當網(wǎng)格邊長小于15 mm時，分析結果的相對差值在0.001 mm級別，說明網(wǎng)格大小已經收斂.

整體AMB模型形狀復雜，并且與緩沖塊和密封條接觸的只有其局部表面部分，故直接對其簡化為形狀簡單且直接與緩沖塊和密封條接觸的離散剛性板模型，分別位于緩沖塊和前端密封條底部.汽車引擎蓋實例的裝配模型如圖5所示.

圖5 汽車引擎蓋裝配模型Fig.5 Assembly model of automotive hood

2.3 分析結果

第1階段：不考慮緩沖塊和密封條受擠壓對汽車引擎蓋產生的影響，僅考慮重力場的作用，分別分析汽車引擎蓋裝配密封條和緩沖塊，以及不裝配的兩種情況，獲取重力場對汽車引擎蓋裝配過程產生的影響.通過對比兩種情況可知，兩者基準點位置的相對偏差在 0.000 1 mm級別，可視為同一種狀態(tài)，汽車引擎蓋z向的位移云圖如圖6(a)所示，各基準點的偏差值δ1如表4所示.

第2階段：在第1階段的基礎上，仿真密封條受擠壓對汽車引擎蓋的影響，位移云圖如圖6(b)所示，各基準點的偏差值δ2如表4所示.

第3階段：在第1階段的基礎上，仿真緩沖塊受擠壓的情況，獲取緩沖塊對汽車引擎蓋的影響，通過設置與緩沖塊接觸的AMB離散模型位置，中部兩個緩沖塊的對應AMB離散模型，z正向位移為10 mm，前端兩個緩沖塊的對應AMB離散模型，z正向位移為6 mm，位移云圖如圖6(c)所示，各基準點偏差值δ3如表4所示.

第4階段：在第2階段的基礎上，使作用于密封條的AMB離散模型移動到理論裝配位置，添加密封條受擠壓變形的因素，分析引擎蓋變形情況，位移云圖如圖6(d)所示，各基準點的偏差值δ4如表4所示.將各個階段數(shù)據(jù)繪制成折線圖，具體形式如圖7所示.其中：δi(i=1, 2, …，7)為各階段的偏差值，此處i=1,2,3,4.

圖6 各階段汽車引擎蓋位移云圖Fig.6 Displacement cloud images of automotive hood at each stage

基準點方向δ1/mmδ2/mmδ3/mmδ4/mmR1z-0.262080.145942.712402.79835R2z-0.300820.188502.964173.05809R3z-0.300020.234762.987553.09081RPS006Fzz-0.288620.122183.096543.17875RPS101fzz-0.291230.160643.134623.22278RPS001Tyy0.000170.00120-0.00068-0.00040RPS004Fzz0.00766-0.03379-0.26805-0.28229RPS005Fzz0.00799-0.03126-0.27018-0.28406RPS002Fxx-0.012080.016260.201920.21134RPS003Fxx-0.012410.015940.203770.21319

圖7 各階段基準點偏差值對比Fig.7 Comparison of deviation values of reference points at each stage

綜上所述：① 在重力場的作用下，密封條和緩沖塊的質量可忽略不計，密封條對汽車引擎蓋產生的反作用力在一定程度上抵消了重力場對引擎蓋的影響；② 整個汽車引擎蓋在緩沖塊的作用下產生較大的彈性變形，由于緩沖塊對引擎蓋的作用最大，且緩沖塊是可調整零件，在基準點調零過程中起著主導作用；③ 在任何作用方式下，引擎蓋后端的RPS004Fz、RPS005Fz、RPS002Fx和RPS003Fx的偏差值均較小，遠小于其他基準點的偏差值，說明引擎蓋前端是重點調整部位.

2.4 敏感度分析

針對上述4個階段的遞進分析，完成汽車引擎蓋的初始裝配，并初步確定各因素對汽車覆蓋件裝配的影響.對初始狀態(tài)下的汽車覆蓋件進行基準點調零，需要確定具體的調零策略，所以對各可調整零件展開詳細的敏感度分析.

為確保分析數(shù)據(jù)的容錯性，研究對象分為兩個模型：① 基于所有零件裝配在引擎蓋上的初始模型，即全裝配模型；② 不考慮緩沖塊裝配在引擎蓋上的初始模型，即無緩沖塊模型.由于分析的對象來自于理論模型，所以將對稱的可調整零件視為一個整體，主要分為后端鉸鏈、前端鎖扣、前端緩沖塊(靠近鎖扣的兩個緩沖塊)和后端緩沖塊(遠離鎖扣的兩個緩沖塊).在可調整零件中，只有鉸鏈可進行x、y、z這3個方向的調整，其他零件只能進行z向調整，故對兩個模型分別進行各可調整零件的z向調整，如后端鉸鏈沿z向上下調整，前端緩沖塊調整離散剛性板模型的z向位置，從而仿真緩沖塊的不同擠壓程度.

分析各可調整零件隨著調整量增大對基準點的影響.經分析發(fā)現(xiàn)，隨著可調整件z向的調整，基準點的偏差值呈近似線性變化.將基準點偏差值對調整量的導數(shù)作為影響系數(shù)，表征調整量對基準點的偏差值影響大小，各可調整零件對基準點位置的影響系數(shù)如圖8所示.

由圖8可知，后端緩沖塊的調整主要對汽車引擎蓋前端的基準點(R1、R2、R3、RPS006Fz和RPS101fz)產生影響，對后端的基準點影響甚微；前端鎖扣相比于緩沖塊對引擎蓋前端基準點(RPS003Fx、RPS002Fx、RPS005Fz、RPS004Fz和RPS001Ty)的影響，前者遠遠大于后者；后端鉸鏈的調整主要對汽車引擎蓋后端的基準點產生影響，并且遠遠大于其他三者對后端基準點的影響，而對前端基準點的影響較小.

兩個分析模型產生的影響系數(shù)基本保持相同，但對前端鎖扣的調整所產生的影響系數(shù)有很大差異，而影響趨勢基本相同.引起該變化的主要原因為，在第2個模型前端鎖扣的調整中，并沒有考慮緩沖塊的作用，從而忽略了緩沖塊受擠壓而產生的附加影響，在一定程度上增大了鎖扣調整對引擎蓋基準點的影響系數(shù).

2.5 基準點調零

通過敏感度分析，為使前端基準點置零，主要調整對象為鎖塊和緩沖塊.鎖塊在調整過程中，緩沖塊也會隨之產生不同程度的擠壓變形，兩者相互抵制，對前端基準點置零帶來嚴重的阻礙.

為使后端基準點置零，主要調整對象為鉸鏈.在調整鉸鏈的過程中，緩沖塊受擠壓對后端基準點將會產生不同的影響.主要體現(xiàn)在當緩沖塊受擠壓增大時，對RPS004Fz和RPS005Fz的影響是朝著z負方向，而對RPS002Fx和RPS005Fx的影響是朝著x正方向.但由于緩沖塊對后端的影響遠小于鉸鏈，所以只需在調整鉸鏈時，將緩沖塊引起的基準點偏差進行置零即可.

在進行敏感度分析時，主要從影響系數(shù)方面分析每個可調整零件在調整過程中對引擎蓋基準點的影響.除了影響系數(shù)外，每個可調整零件的調整方向也會對引擎蓋上的不同基準點產生不同的影響.具體體現(xiàn)在：當鉸鏈沿z負方向調整或緩沖塊沿z方向受擠壓增大時，隨之增大的基準點有R1、R2、R3、RPS006Fz、RPS101fz、RPS002Fx、RPS003Fx，而隨之減小的基準點有RPS001Ty、RPS004Fz、RPS005Fz；當鎖塊沿z負方向調整時，情況與之相反.

通過上述分析，對基準點的調零策略總結如下：將前端鎖扣和后端鉸鏈作為首要調整對象，進行粗調整；將緩沖塊作為次要調整對象，進行精調整；為抵消鎖扣和鉸鏈調整過程中，緩沖塊受擠壓的不同程度而產生的附加影響，對鎖扣和鉸鏈進行大幅度調整；在粗調整和精調整后，可能仍會出現(xiàn)某些基準點無法置零的情況，重復粗調整和精調整的步驟，直至基準點置零.

對第3階段的整體裝配模型進行基準點調零，調整的參數(shù)信息如下：前端鎖扣沿z負方向移動 2 mm；后端鉸鏈沿z正方向和x負方向移動0.1 mm；前端緩沖塊的AMB剛體模型沿z負方向移動2 mm；后端緩沖塊的AMB剛體模型沿z負方向移動6 mm.進行調零后基準點的偏差值δ5如表5所示.

通過上述基準點的調零仿真，所有基準點的偏差值都在調零要求范圍.需要說明的是，由于基準點的調零結果是范圍值，所以上述調整結果僅為多組結果中的其中一組.

表5 基準點置零后的偏差值Tab.5 Deviation values after zeroing of reference points

3 試驗對比與方法分析

圖9 樣本點分布示意圖Fig.9 The diagram of sample points distribution

提取調零狀態(tài)模型的周邊樣本點的z向偏差值δ6，汽車引擎蓋周邊的樣本點位置以及調零后的汽車引擎蓋z向變化云圖如圖9所示.其中，樣本點主要分為4個區(qū)域，分別為前端Q、后端H、左側L和右側R，樣本點基本呈均勻分布，每部分區(qū)域均按照從下到上，從左到右的順序進行排列.需要注意的是，在后端區(qū)域中，所采集的仿真樣本點個數(shù)需要大于試驗測量的個數(shù).

為對比分析結果的準確性， 在某大型車企的裝配試驗現(xiàn)場對該型號的實際引擎蓋進行裝配，裝配的支撐基座為外綜合匹配樣架， 整體的裝配流程如下：安裝前端密封條，進行鉸鏈z向固定；安裝前擋風玻璃，并進行后端密封條的安裝；對鉸鏈的x和y向進行固定，對引擎蓋進行扣合.

在試驗現(xiàn)場，經過粗略的引擎蓋裝配步驟，開始進行長時間的基準點調零過程.首先對扣合后的引擎蓋進行三坐標測量機測量，與理論狀態(tài)下的數(shù)?；鶞庶c進行對比，獲取基準點偏差數(shù)值；然后，技術人員根據(jù)各個基準點的偏差值對可調整零件進行調整，調整后再對引擎蓋進行扣合以及基準點的測量；最后，通過反復的測量調整，直到所有基準點均在調零的輸出要求范圍，再對引擎蓋周邊樣本點的偏差值進行三坐標測量機測量，將偏差數(shù)據(jù)δ7記錄下來.將仿真的樣本點數(shù)值和試驗數(shù)值繪制成折線圖，如圖10所示，其中：δ′為試驗初始值.

圖10 汽車引擎蓋周邊樣本點z向偏差值Fig.10 z-direction offset values of sample points around automotive hood

由圖10可知：

(1) 從整體來看，仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，盡管仿真調零或手動調零的具體調整值都不唯一，但是通過樣本點的數(shù)值偏差對比，兩者之間的差異較小.

(2) 從局部來看，仿真基準點調零和試驗基準點調零后的引擎蓋邊界信息數(shù)據(jù)并非完全一致，甚至一些樣本點有較大的偏差.主要原因在于仿真調零的具體調整量不具備唯一性，手動調零的具體調整量也不具備唯一性，實際加工的引擎蓋與理論數(shù)模之間存在一定的加工誤差，以及手動調整中存在的系統(tǒng)和環(huán)境誤差等因素都會產生影響.

(3) 引擎蓋后端的樣本點在試驗和仿真情況下存在差異.具體體現(xiàn)在走向趨勢不一致，為了方便對比，故將試驗中還未進行基準點調零的邊界信息提取出來，通過仿真數(shù)據(jù)、試驗初始值和調零后的數(shù)據(jù)進行對比，可知仿真數(shù)據(jù)仍在調零的變化趨勢范圍內，出現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的差異情況，主要原因在于調整量不具備唯一性.

通過對具體實例汽車引擎蓋的虛擬匹配仿真分析，VMBFEA的主要注意點總結如下：① 由于仿真過程中需要具體的材料數(shù)據(jù)和數(shù)模簡化，必然造成一定程度上的誤差，所以需要對不同程度的數(shù)模簡化進行分析，并針對具體的零件確定合理的簡化標準；② 對于同型號的零件由于加工誤差產生的差異，可通過掃描點云進行重構模型，從而實現(xiàn)理論模型到實際模型的仿真分析；③ 調零結果并不唯一，可以通過大量的敏感度分析獲取每個可調整零件之間的相互作用關系，針對不同的調整值和調整結果，進行優(yōu)化分析并建立相應的數(shù)學模型，從而獲取最優(yōu)的調整路線和合理的調整值，以確保汽車覆蓋件裝配驗證的準確性.

4 結論

(1) 針對人工手動進行汽車覆蓋件裝配驗證過程的特性，提出適用于汽車覆蓋件的有限元仿真虛擬匹配方法，分析在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)汽車覆蓋件和相關零件的裝配流程.基于有限元分析軟件，實現(xiàn)汽車覆蓋件的虛擬匹配.通過敏感度分析，量化各可調整零件對基準點位置的影響程度.綜合考慮各可調整零件敏感度及裝配調整要求，完成汽車覆蓋件是否滿足裝配要求的基準點調零過程.

(2) 以汽車引擎蓋為分析實例，完成初始狀態(tài)的汽車引擎蓋虛擬匹配，經分析發(fā)現(xiàn)緩沖塊對汽車引擎蓋的裝配影響最大，且引擎蓋前端應作為重點調整部分.通過可調整件敏感度分析，完成基準點的調零過程.對比汽車覆蓋件周邊樣本點仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)，二者的相對差值較小，變化趨勢基本一致，驗證了所提方法的可行性.