白车身数字化封样方法 技术领域：
本发明涉及一种白车身数字化封样方法，用于轿车试生产，属于机械类领域。背景技术：
市场竞争的加剧对轿车制造厂的车型产品更新周期、设计水平和产品质量提出了更高的要求，样机作为产品设计方案的检验标准和制造质量的评价标准，封样方法直接影响新车型开发周期的长短。传统封样方法是通过对设计方案、工程图纸反复修改和多次物理样机的再制造来确定最终的物理样机，大大增加了新产品开发的周期和成本，很难获得真正的优化方案。数字化封样方法(又称虚拟样机技术)的出现为解决这些问题提供了强有力的手段和工具。德国的A.Roessler等人利用空间约束算法开发了一个帮助设计者在虚拟环境中对零件进行装配和拆卸操作地系统(Stefan Münker，Alexander Roessler(Hrsg.).VirtuelleGeschlechterordnung，In：IM NETZ.Kulturpraktiken des Internet.Frankfurt(Main)，Suhrkamp)。该方法基于并行公司(Courrent Technologies Corporation)的VirtualWorkbenchTM和数据手套，在SGI工作站上用WorldToolKitTM开发工具开发了一个半沉浸式的虚拟装配系统。Virtual WorkbenchTM是一种水平现实设备，用户戴上立体眼镜后观察的物体就像浮在桌面上一样，更加适合装配，该系统采用模拟人手自然交互的双手手势交互，使得诸如对物体抓取、平移、旋转等操作更加直观。由于白车身数字化封样技术涉及到零件冲压过程、装配过程和装配的优化评价等一系列复杂的工艺工程，上述系统只对装配过程的仿真显然无法实现白车身数字化样机的开发。发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足和实际应用的需要，提供一种白车身数字化封样方法，能够直接利用CAD软件所提供的工艺参数的物理信息和几何信息，在计算机上对白车身零件进行虚拟制造和装配，从而获得白车身数字化样机，使设计人员在虚拟的环境中真实的模拟实际制造的过程，快速分析多种设计方案，直至获得系统级的最优设计方案。
为实现上述目的，本发明的技术方案中通过覆盖件冲压过程仿真技术来预测车身零件的制造质量，建立点焊热效应可忽略准则，应用基于接触分析的车身零件装配过程的有限元模拟计算装配结构的尺寸质量。建立局部装配匹配的目标函数和约束函数，实现匹配优化，从而得到系统级的最优设计方案。并由中心计算机实现数据的反馈控制。
本发明的方法基于网络数据传输，建立冲压成形仿真、焊装仿真和匹配优化三个子系统对样机制造过程进行仿真分析，通过中心控制计算机实现三个工艺过程子模块间的数据交换和反馈，制造系统级的最优数字化样机，最后的结果通过打印、绘图设备进行输出。
本发明的具体操作步骤如下：
1、冲压成形仿真
冲压成形仿真过程在一个单独的计算机上完成。在动力显式系统内(例如LS-Dyna3D、AUTOFROM)对产品的冲压成形性进行分析，准确地预测车身覆盖件冲压以后的回弹量，即产品的成形偏差，从而为焊接过程仿真提供产品的实际模型。
本发明首先采用矢量化的建模技术生成几何模型，对原始设计图纸进行扫描，形成光栅图，进行矢量化的处理，在Cartia系统内进行三维造型，最终形成一个完整的反映实际三维变形情况的几何模型。
接下来进行仿真分析的前处理，本发明采用Belytschko-Tsay壳单元(BT壳单元)对几何模型进行离散，并对每一部件设置材料模型及参数。这一步所采用的软件有：HYPERMESH等。
考虑到弹性变形在板料总变形中占有不可忽视的比例，并且成形前后板材的几何形状变化较大，因此本发明采用大变形弹塑性有限元法对其进行分析。这部分采用的软件有：LS-DYNA3D、AUTOFORM、LS-NIKE3D等。
有限元分析计算过程结束后，首先动态显示各部件(冲头、压边圈、板材、凹模等)的运动情况，以检查计算的合理性。得到的冲压成形过程中的各参数及物理量的变化情况可以用等色图或等值线图动态显示，包括各时刻的板材变形，应力、应变分布情况，板材厚度变化等。计算结果输入中心控制计算机。
2、协同模块处理
中心控制计算机通过控制模块判断数据的流向。若计算结果符合要求，以曲面重构技术为基础的协同模块根据冲压过程生成的零件有限元模型构造曲面，建立能够反映零件实际形状的实体模型。实现冲压仿真子系统和焊装工艺仿真子系统间的快速数据转换。若计算结果不符合要求，则将修改数据反馈到产品模型或者模具模型进行修改。
3、焊装过程仿真
根据中心控制计算机控制模块传过来的车身零件的模型，考虑夹具模型中提供的定位特征和夹紧特征和焊点位置等焊装工艺信息，通过点焊过程模拟模块和基于接触分析装配偏差模拟模块计算由于焊接装配过程造成的结构体装配偏差，作为匹配优化子系统的输入。焊装过程仿真在一个单独的计算机上完成，并且和一个中心控制计算机相连，实现数据的交换。
关键技术为：
1)边界条件
点焊模拟的边界条件可主要分为电边界、热边界和力学边界3种：
电边界：在电极端面之间存在电压降且零件表面电压为零；在电极和零件外表面电流为零，电流仅在零件与零件接触面内通过。
热边界：在电极和零件外表面与周围的空气有对流；电极与零件、零件与零件的接触面有热传导，而未接触区则与外界空气产生对流；热辐射的影响被忽略。
力学边界：将电极力作为均布力作用于电极端面；由于轴对称横向位移被约束；零件与零件未接触区域不传递力。
2)关键点的选择
为了评价车身零件焊接后的装配偏差，本发明定义关键点概念，用以衡量零件装配质量。关键点的选取主要考虑以下因素：
①在白车身三坐标测量机测量的测点集合中，有关待研究零件的测点；
②在零件于一个装配过程之后进入下一个装配时，能够保证与其它零部件匹配的功能点；
③在轿车整车制造过程中，保证该零部件在总装过程中与车身饰件匹配的功能点。
3)点焊热过程的可忽略准则
建立结构分析与电热耦合分析的模拟流程。通过数个循环模拟一个点焊过程，将直接法求解电热耦合、间接法求解结构与温度的耦合。
本发明比较了装配偏差的模拟结果与实验结果。在焊点位置忽略点焊过程热效应影响的无热计算值与对应的测量平均值和考虑点焊过程热效应的有热计算值具有较大的差别；然而，距离焊点越远，无热计算值、有热计算值与测量平均值越接近，而且在距离焊点10mm时三组数据已很接近。因此，在具有典型焊点布置条件下的车身薄板零件装配偏差分析过程中，可以忽略点焊热过程的影响，直接以在点焊过程预压阶段因电极力作用克服零件配合间隙导致的零件变形代替经过整个点焊过程后的零件变形，从而简化了偏差在车身零件装配中传播规律的分析过程。
4)基于接触分析的车身零件装配过程的有限元模拟
偏差作为唯一的输入，夹具“3-2-1定位”，以位移形式约束零件，夹紧力和点焊电极力实现克服零件偏差及过程中的零件变形。建立基于接触分析的车身零件装配过程的有限元模拟模型，通过ANSYS等有限元软件以壳单元划分复杂车身薄板零件、节点耦合方式模拟点焊连接、接触单元模拟零件到达名义装配位置，模拟关键点在装配过程中的偏差变化，计算结构体的焊接质量，输入中心计算机。
3、车身结构匹配优化
根据焊装仿真子系统得到的装配体的尺寸质量，以车身装配的间隙和平整度为目标函数，通过优化组合实现整个装配结构的优化匹配。
本发明具有显著的特点和有益效果，通过中心控制计算机实现冲压成形仿真子系统、焊装仿真子系统和匹配优化子系统之间的数据交换反馈和数据的调和，能够直接利用CAD软件所提供的工艺参数的物理信息和几何信息，在计算机上对白车身零件进行虚拟制造和装配，从而获得白车身数字化样机，使设计人员在虚拟的环境中真实的模拟实际制造的过程，快速分析多种设计方案，直至获得系统级的最优设计方案。本发明为白车身数字化样车的开发提供了一套高效的方法，与传统的物理样机的制造方法相比可以大大缩短样机制造的周期，并可以实现系统级的优化方案；与现有的虚拟样机开发方法相比，数据流的控制效率更高，精度有明显的提高。附图说明及具体实施方式：
为更好地理解本发明的技术方案，以下通过附图和具体实施例作进一步说明。
图1为本发明的系统结构图。
如图所示，本发明的方法基于网络数据传输，三个工艺过程分别在三个独立的计算机上完成。中心控制计算机分别与冲压成形仿真子系统、焊装过程仿真子系统和匹配优化子系统连接，并与企业内部网和输出存储设备连接。通过中心控制计算机实现三个工艺过程间的数据交换和反馈，最后的结果通过打印、绘图设备进行输出。
冲压成形仿真子系统对冲压过程进行仿真，计算覆盖件的成形质量。焊装过程仿真子系统计算焊接过程的偏差，计算装配后结构体的装配质量，并通过中心控制计算机，实现和冲压成形仿真子系统之间的数据交换。匹配优化子系统对装配结构进行匹配优化。中心控制计算机连接到企业内部网和输出存储设备，生成的数字化白车身结果通过输出存储设备存储或者打印输出。
图中输入参数为冲压模具模型、车身产品模型和焊装夹具模型，冲压成形仿真子系统对冲压模具模型进行分析，得到覆盖件的可冲压性，计算出冲压件的尺寸质量。计算结果输入中心控制计算机的控制模块对成形质量进行判断，若计算结果不满足要求，将修改信息反馈到产品模型或者模具模型，进行相应的修改，直到满足成形要求。若满足成形要求，则将计算结果输入协同模块。协同模块读入冲压件的有限元模型生成数据云图，根据设定的提取精度要求，剔除由于计算或者转换的原因造成的奇异点，并将整个零件分割若干个形状规则的面单元，对每一个面单元进行重构，即点连成线、线连成面，最终形成能够反映零件实际形状的三维模型，输入焊装仿真子系统。焊装仿真子系统中的点焊过程模拟模块基于结构分析与电热耦合分析、通过数个循环模拟一个点焊过程，将直接法求解电热耦合、间接法求解结构与温度的耦合。基于接触分析装配偏差模拟模块通过有限元软件ANSYS5.5，以壳单元划分复杂车身薄板零件、节点耦合方式模拟点焊连接、接触单元模拟零件到达名义装配位置，模拟焊接工艺过程。计算后的结果送到中心控制计算机，控制模块对计算结果进行分析，如果装配的尺寸质量超过设定值，则中心控制计算机将修改信息返回到冲压成形仿真子系统或者车身产品模型和冲压模具模型，重新修正相关参数，对覆盖件的成形性重新进行仿真分析，分析作为输入传入焊接过程仿真子系统。如果装配的尺寸质量符合设定值，则将焊接过程仿真子系统的计算结果输入匹配优化子系统。根据对产品匹配功能的要求，建立以间隙和平整度最小值的目标函数，装配结构的匹配面位置参数进行优化计算。最后得到白车身的数字化虚拟样机。通过中心控制计算机的控制模块决定将结果通过终端设备打印存储还是送到企业内部网的其它部分。
图2是本发明实施例中仪表板焊装仿真的关键点和焊点位置布置示意图。
其中，图2(a)为关键点选取(y＝0对称)，图2(b)为焊点分布。
图3为本发明实施例中仪表板匹配优化结果示意图。
其中，图3(a)为选取间隙和面差指标，图3(b)为匹配优化结果。实施例：
1、冲压成形仿真
将初始的仪表板设计图纸进行扫描，对扫描后的图纸信息进行矢量化处理，并生成仪表板的三维实体模型。
运用有限元前处理软件DYNAFORM，在仪表板的产品模型的基础上，生成冲压模具各部分和毛坯的CAD模型，并划分有限元网格。
运用LS-DYNA3D软件模拟仪表板的实际冲压成形过程，得到“成形”后后向应变分布和成形极限图。
2、协同模块的处理
将冲压成形仿真生成的冲压件有限元模型传送到中心控制计算机，调用协同模块进行处理。设置的精度等级为3级，经过曲面重构生成冲压后冲压夹实际的三维模型。
3、焊装过程仿真
边界条件为：点焊电极力为200kgf，上电极与下电极之间的电压降为1.0V，焊接电流8000A，焊接时间为10个周波，焊接电流为50Hz，环境温度为20℃。
关键点的选择：点焊装配转向机横梁和前围上盖板后的结构将形成安装前风窗的支撑槽。因此，为了评价转向机横梁和前围上盖板的装配质量，选取前围上盖板零件上与支撑前风窗相关的点作为关键点，以保证安装前风窗的装配功能要求为依据，评价其装配质量。关键点如图2-a所示。
焊接路径为(图2-b)：夹具夹紧零件，顺序点焊连接点1-2-25-26，然后夹具释放，沿车身y轴正、负向同时焊接点3-4、5-6、7-8、9-10、11-12、13-14、15-16、17-18、19-20、21-22和23-24，构成3-5-7-9-11-13-15-17-19-21-23和4-6-8-10-12-14-16-18-20-22-24的顺序。得到零件间隙、电极力和零件焊接变形。将零件的变形结果输入中心控制计算机，符合要求，结果输入到优化匹配子模块，进行该部件与其它零部件间面差和间隙的匹配优化。
4、车身结构匹配优化
建立以间隙和平整度(图3-a)为优化值的优化目标函数和约束条件：f＝Min(ω1g1u+ω2g1v+ω3g2u+ω4g2v+ω5g3u+ω6g3v+ω7d15+ω8d25)2.5≤3+g1v+g2v+g3v3≤3.5]]>|d15|≤1|d25|≤1ω1...ω8为考虑全权重和目标归一化的综合影响系数。装配优化后(图3-b)：最小缝隙为2.8mm，最大为3.3mm，面差小于0.5mm。
本发明对前仪表板的样机进行设计，与传统的物理样机试制方法相比，开发周期缩短了50％。