随着我国汽车制造业日新月异的发展，国内主机厂不断学习和采用新技术，以缩短研发周期，降低研发成本，提高整车品质，提升品牌竞争力。三维模拟装配和尺寸仿真技术在汽车研发过程中发挥着非常重要的作用。

提高汽车研发能力和品牌知名度，是国内众多自主品牌汽车厂面临的重要任务。相对于世界汽车发展史而言，我国的汽车业发展历史较短，真正意义上的发展不过十几年。由于时间短，经验积累和技术沉淀不够，国内汽车研发的能力薄弱。近年来，随着我国社会经济的飞速发展，汽车制造业也迅速进步。新的市场环境和消费者需求对各主机厂的研发能力提出了更高要求，国内各汽车生产厂家纷纷在提高产品性能和质量、降低研发成本，以及缩短研发周期等方面不断努力。

车身开发是巨大而复杂的工程，车身零部件多且形状多变，结构和搭接关系十分复杂。车身结构设计不仅要考虑满足功能要求，更要考虑冲焊及装配的工艺可行性，以及如何满足车身尺寸目标等。如何在研发早期的产品设计阶段就能够评估设计的可行性、工艺流程的优劣，从而发现问题，完成结构和工艺优化，是非常重要的工作。

汽车研发过程中试制的作用

汽车研发过程可以简单地概括为：概念、设计、样车制造和量产四大阶段。在汽车研发历史上，试制曾被用作产品及工艺验证和优化的主要手段。在研发流程中，试制位于产品设计之后, 通常使用非全序手工样件、拉延件及快速成形件等来提供产品样件，按照为量产制定的工艺焊接和装配顺序及定位策略进行样车制造。在此过程中，分析和验证单件成形可行性、焊接和装配的工艺可行性，努力实现产品设计规定的各项性能指标，并对产品结构的合理性、车型外观、间隙和平度、密封性、动力传动装置和整体平衡性等进行验证，同时对样车进行测量和评估，把得到的数据与产品设计所定义的尺寸目标进行对比，发现问题，然后优化结构与工艺流程。

从实践和经验来看，试制能够优化设计结构和工艺，对汽车产品的最终投产和质量保证非常有效，但其局限也显而易见。首先，样车试制需要６个多月，延长了开发周期；从节点来看，试制在产品设计完成之后，问题的暴露严重滞后，缺乏与设计“同步”，问题反馈给产品设计可能产生大量设计变更，且变更后需要再一轮的试制装车来验证；从投资来看，开发软模，提供非全序钣金件，以及为了全面发现问题，需要制造数以百计的白车身和总成件，会大幅增加成本。

三维虚拟装配与尺寸仿真技术的应用

1. 虚拟制造验证原理

随着计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM）的飞速发展，基于DMU（Digital Mock-Up）平台虚拟制造和装配的三维尺寸仿真分析技术应运而生。它虽然不能完全替代试制，但能够大大降低试制的工作量。它在产品研发的早期介入，与设计同步，真实模拟焊接装配制造过程，进行公差仿真与计算分析，优化产品结构和工艺，操作方便、快捷，节约时间，降低成本。不仅如此，这种虚拟制造与装配提供了一个产品尺寸质量管理的平台，产品工程师、工艺工程师、制造工程师和质量工程师能够相互合作，共同对产品的尺寸和公差进行分析、优化。下面以Siemens PLM Software的VisVSA软件为例，谈谈这种新技术的工作原理和方法。

2. 尺寸仿真分析软件VisVSA的工作原理

VisVSA是业界广泛应用的三维尺寸公差仿真分析和优化软件之一，它虚拟仿真产品结构和装配工艺，建立产品的尺寸链装配函数，利用蒙特卡罗（Monte Carlo）原理对装配后的尺寸偏差进行数理统计计算，对影响偏差的贡献因子进行分析，以此评估和优化产品设计，优化定位方案及焊接装配顺序，控制制造偏差。

VisVSA的三维模型里综合包含了产品的设计数模、零部件的公差分配、安装和定位方式、装配顺序、工装定位方式和精度以及测量计划和方法等。它的引入和应用，显著提升了我们在整车尺寸分析和管理方面的能力。在使用过程中，尺寸工程师积累了经验，也体验了该软件的强大功能。

（1）VisVSA的工作流程

①定义产品目标：定义和确认所有的尺寸要求；

②定义装配顺序：单件和分总成的装配顺序；

③定义零部件几何特性：可以从产品3D模型导入；

④定义和制定功能要素：销、孔、槽、平面及点等；

⑤定义公差：对以上要素分配尺寸、位置、形状和方向公差；

⑥建立“装配操作”：该功能将不同零件装配在一起；

⑦定义和建立测量用点：仿真过程中这些点用来测量，发现偏差变化；

⑧定义“测量”：这种功能用于在仿真过程中确认变化量；

⑨仿真运算：将各种偏差出现的情形考虑在内，进行数百次甚至上千次的仿真运算；

⑩分析结果：仿真运算结束后，得出±3σ、Cp和Cpk等结果，并进行分析。

（2）输入条件和输出结果信息如表所示。

（3）VisVSA应用实例：下面以某车型为例，简要介绍VisVSA的工作过程。

问题描述：图1为某车型车身结构，计算和验证在给定的生产工艺条件下，前门和后门的间隙偏差是否满足设计公差范围要求。下面对前后门窗框和腰围以下部分进行仿真分析。

①输入界面。图2为整车模型的输入界面，左边1区是建立的焊接和装配循序，中间2区显示导入的3D数据模型，附带GD&T信息，右侧3区是公差库。

②输出界面。输入确定后，模拟仿真20 000台份整车的装配进行运算。运算结果如图3所示，可以看出，上段区域的间隙±3σ值为2.0mm，下部区域的间隙±3σ值为1.3mm。仿真结果可以显示为详细的数据正态分布样式如图4、5所示，表中分别列出给定值Cp、Cpk值，±3σ值，以及超差部分的比例。其中，图4为上段区域数据分布样式，图5为下部区域数据分布样式。图6、7为HLM（High-Low-Median）图，也叫贡献因子图，显示尺寸链中所有影响尺寸目标的偏差来源（即贡献因子）以及权重。其中，图6是门上段间隙偏差贡献因子报告，图7是门下部区域间隙偏差贡献因子报告。可以看出，在偏差结果较大的门上段区域，影响该结果的最大贡献因子是后门X向定位的工装精度；而在偏差结果较小的前后门下部区域，该处的生产工艺能力是该区域间隙偏差值最大的贡献因子，两者的差异主要与前后门X向的安装定位方式有关。

根据分析结果的偏差源大小，可以改变零部件、工装的公差，提高精度要求，以控制偏差源，保证装配后的尺寸偏差符合定义要求，并保证一致性和稳定性。

通过以上结果可以看出，虚拟装配和尺寸公差仿真分析能够帮助我们达成如下目的：在产品研发早期的设计阶段确认结构和工艺过程是否能够满足产品的尺寸目标定义；发现和预测焊接装配过程中的各种偏差源，如设计、制造、装配和测量等产生的偏差及其大小；降低对后期实物试制样车的需求，节约了研发时间，降低了成本。

（4）VisVSA的其他功能

除了上述功能外，VisVSA的功能还包括：动态显示装配过程以及产生的变化；可对分总成、总成件分别分析，即多阶段变化分析；可模拟和支持各种公差；可以仿真柔性搭接和零件回弹；可对测量数据进行分析。

结语

本文以VisVSA为例对三维虚拟装配和尺寸仿真的工作原理、方法与过程做了阐述，可以看出，该技术是一种动态的虚拟模型分析技术，在概念设计阶段即可通过输入真实可靠的边界条件，近似模拟焊接装配过程，对整车偏差来源及控制进行全面且直观的分析，优化设计和工艺方案，从而缩短产品的上市时间，降低研发成本。

该技术在欧美主机厂得到了广泛应用，其中包括昔日美国汽车三巨头福特、通用和克莱斯勒，以及欧洲的大众、宝马等，近年来日韩主机厂也加强了对这方面技术的学习和应用。

汽车研发能力的提升是一个长期、艰苦的技术和经验积累过程，引进、学习、应用和消化吸收先进的科学技术和方法是提升研发能力的重要手段。随着尺寸分析工作越来越受到国内汽车制造厂家的重视，三维模拟装配仿真分析技术必将在整车开发过程中发挥更大作用，为我国自主研发汽车厂家提升车身品质，增强品牌竞争力做出贡献。