某汽车风道成型生产线仿真及其模压机的设计与优化-数字化设计制造硕士论文

学校代码 10530 学 号 200807051309 分 类 号 TH12 密 级 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 某某汽车汽车风道风道成型生产线成型生产线仿真及其仿真及其 模压机的设计与优化模压机的设计与优化 学学 位位 申申 请请 人人 王王 毅毅 强强 指指 导导 教教 师师 胡胡自化自化 教授教授 学学 院院 名名 称称 机械机械工程学院工程学院 学学 科科 专专 业业 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 研研 究究 方方 向向 数字化设计与制造数字化设计与制造 二二一一一一年年五五月二十月二十日日 The Simulation of the Automobile Air Passage Molding Production Line and the Design and Optimization of Its Molding Machine Candidate Wang Yiqiang Supervisor Prof. Hu Zihua College School of Mechanical Engineering Program Mechanical Manufacture and Automation Specialization Digital Design and Manufacturing Degree Master of Engineering University Xiangtan University Date May 20, 2011 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 摘要 I 摘 要 汽车风道成型生产线是生产汽车风道的重要成套设备， 其制造精度直接决定了汽车 风道的质量。随着现代汽车工业的快速发展，风道成型生产线已成为衡量汽车内饰装备 制造水平的重要标志之一。但是目前国内的风道成型生产技术远远落后于国外，高档风 道产品几乎依赖进口。 究其原因主要是国内大多数内饰生产企业仍采用传统以手工操作 为主的生产方式，该生产方式已经不能满足汽车工业发展的需要，这严重制约了国内汽 车内饰业的发展。如何提高风道成型生产线的制造水平，实现风道产品高质、高效生产 是目前我国高档汽车风道产品开发的一项重要课题。因此，迫切亟待开展汽车风道成型 生产线的研究工作，实现风道产品高质、高效的生产。为此，本文综合利用 CAD 技术、 数字化仿真技术和有限元技术等技术和理论，从工艺流程出发，探索了汽车风道成型生 产线仿真技术及其关键设备成型模压机的设计与优化等关键技术。具体研究工作如下： （1）综述了汽车内饰成型技术、模压机结构设计技术和数字化工厂技术的研究现 状，分析了汽车内饰行业的发展方向，为后续研究奠定了基础。 （2）从工艺流程出发，分析了汽车风道成型生产线的生产方式及工艺流程，并运 用生产线平衡原理评价汽车风道成型生产线节拍的科学合理性。 （3）进行了数字化工厂的开发与探索，利用数字化工厂软件 DELMIA 对汽车风道成 型生产线进行了虚拟仿真，以验证整个风道成型生产线设计方案的可行性。 （4）依据汽车风道成型生产线的设计要求，应用 ANSYS 软件对生产线关键设备成 型模压机的上下模架进行了结构设计与优化和模态分析。 综上， 本文开展汽车风道成型生产线仿真及其模压机的设计与优化为汽车风道成型 生产线的研发提供了高效、合理的解决方案，为该生产线后续成功制造奠定了基础。 关键词：汽车风道；成型生产线；优化设计；有限元；仿真 湘潭大学硕士学位论文 Abstract II Abstract Automobile air passage molding production line is an important complete set of equipment for producing automobile air passage parts, whose manufacturing accuracy directly determines the quality of the automobile air passage parts. With the rapid development of the modern automobile industry, automobile air passage molding production line has become one of the important flags for measuring the level of automobile interior parts equipment manufacturing. However, nowadays the domestic automobile air passage molding production technology lags far behind the developed countries, and high- end air passages almost depend on the imports. The main reason is that the traditional manual method for producing automobile air passage parts is still the main method in domestic, which can not meet the needs of automobile industry development. As a result, the development of the domestic automobile interior industry has been severely restricted. How to improve the automobile air passage molding production technology, so as to achieve high- quality and efficient production is one of the important topics for the high- end automobile air passage parts production. Therefore, it is urgent to carry out the research on the automobile air passage molding production line, to achieve high- quality and efficient production. So, starting from the technological process, the key technologies including the simulation of the automobile air passage molding production line and the design and optimization of the molding machine of the production line are explored by using the CAD technology, digital factory technology and finite element analysis technology in this paper. The main works are as follows: (1) The production process and research status of automobile interior parts are summed up. And the trend of the development of automobile air passages is analyzed. So, the basis is established for further research. (2) Starting from the technological process, the composition of the production line is studied, whose scientific rationality is evaluated by applying some related theories. (3) By using DELMIA digital factory software, the overall virtual simulation of the automobile air passage parts production line is carried out to verify the feasibility of the scheme. (4) At last, based on the design requirements of the automobile air passage parts molding production line, finite element analysis and optimization design, and the modal analysis of up and low die carriers of the molding machine are carried out by using the ANSYS software. In summary, an effective solution for high quality and efficient production to simulate 湘潭大学硕士学位论文 Abstract III the automobile air passage parts molding production line and the design and optimization of the molding machine is provided. And the foundation is founded for manufacturing this production line successfully. Keywords: Automobile air passage parts; Molding production line; Optimal design; Finite element analysis; Simulation 湘潭大学硕士学位论文 目录 IV 目 录 第 1 章 绪 论 1 1.1 研究的背景及意义 1 1.2 国内外研究现状分析 1 1.2.1 汽车内饰发展趋势 1 1.2.2 模压机机身结构分析 4 1.2.3 数字化工厂技术 5 1.2.4 目前存在的问题 6 1.3 研究目标和研究内容 7 1.3.1 研究目标 7 1.3.2 研究内容 7 1.4 本章小结 7 第 2 章 相关基础理论 8 2.1 引言 8 2.2 生产线平衡基本理论 8 2.2.1 生产线平衡相关概念 8 2.2.2 生产线平衡的意义 9 2.2.3 平衡率的计算 9 2.3 有限元基本理论 10 2.3.1 有限元法简介 10 2.3.2 静力学分析基本原理 10 2.3.3 优化设计基本原理 12 2.3.4 模态分析基本原理 12 2.4 本章小结 14 第 3 章 汽车风道成型生产线虚拟仿真 15 3.1 引言 15 3.2 生产线工艺流程简介及成型参数分析 15 3.2.1 生产线工艺流程 15 3.2.2 成型工艺参数分析 17 3.3 汽车风道成型生产线方案 17 3.3.1 生产线设计依据 17 3.3.2 生产线方案 18 3.3.3 生产线主要设备 18 湘潭大学硕士学位论文 目录 V 3.3.4 生产线平衡率分析 21 3.4 数字化工厂概述 21 3.4.1 数字化工厂概述 21 3.4.2 CATIA 软件简介 . 22 3.4.3 DELMIA 软件简介 . 23 3.5 生产线虚拟仿真 24 3.5.1 生产线建模及装配实现 24 3.5.2 虚拟仿真动作分析 25 3.5.3 基于 DELMIA 的设备运动构建 25 3.5.4 基于 DELMIA 的浇注机器人运动构建 26 3.5.5 基于 DELMIA 的人因工程构建 27 3.5.6 基于 DELMIA 的生产线整体仿真 29 3.5.7 仿真结果分析 30 3.6 本章小结 30 第 4 章 成型模压机的设计与优化 31 4.1 引言 31 4.2 成型模压机的设计要求及技术参数 31 4.2.1 成型模压机的设计要求 31 4.2.2 成型模压机的主要技术参数 31 4.3 成型模压机的总体结构设计 32 4.4 成型模压机模架静力学分析 37 4.4.1 ANSYS 软件简介 37 4.4.2 模架静力学分析 38 4.5 成型模压机模架结构优化 . 41 4.5.1 ANSYS 优化方法 41 4.5.2 模架的结构优化方案 42 4.5.3 上模架结构优化 42 4.5.4 下模架结构优化 44 4.6 本章小结 45 第 5 章 成型模压机模架的模态分析 46 5.1 引言 46 5.2 ANSYS 模态分析流程 46 5.3 成型模压机的模态分析 46 5.4 成型模压机的模态结果分析 49 5.5 本章小结 49 湘潭大学硕士学位论文 目录 VI 结论与展望 50 参考文献 51 致 谢 54 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 55 湘潭大学硕士学位论文 主要符号对照表 VII 主要符号对照表 T N TD ND m P ti tj Z f Ti max max 生产冗余率 生产线效率 单件标准的总加工时间 工作的位数 每天的工作时间 目标日产量 工位数 生产线的节拍 第 i 道工序的实际加工时间 第 j 道工序的实际加工时间 总工序数 目标函数 钢板的厚度 最大许用位移 最大许用应力 e 单元 qe 节点自由度 Ne 形状函数矩阵 弹性力学中几何方程算子 Be 几何矩阵 De 弹性力学中的弹性系数矩阵 Se 应力矩阵 Ke 单元刚度矩阵 Pe 单元节点力矩阵 b- 体积力向量 p- 面积力向量 M 结构总质量矩阵 C 结构总阻尼矩阵 K 结构总刚度矩阵 节点位移阵列 P 结构的载荷阵列 振动固有频率 湘潭大学硕士学位论文 主要符号对照表 VIII 振动初相位 q 加速度向量 q 速度向量 q 节点位移向量 ( )F t 整体载荷向量 i 自由振动固有频率 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 1.1 研究的背景及意义 近年来，随着汽车工业的快速发展，我国已经成为世界上第一大汽车制造国和消费 国1。未来几年我国的汽车工业仍会继续保持高速发展趋势，给国内汽车制造行业带来 了宝贵的发展机遇，也给国内与汽车工业配套的相关行业，特别是汽车内饰行业带来了 很大的发展机遇。 为此， 为了能在快速发展的内饰行业之中站稳脚跟进而占有一席之地， 国内许多汽车内饰生产企业纷纷引进先进的生产技术和工艺或走上不断自主研发新材 料、新技术、新工艺、新装备的道路。如何更快更好的推动我国汽车内饰的快速发展， 增强企业的竞争实力，是目前国内汽车内饰行业面临的严峻任务2。 目前，国内汽车内饰企业的生产规模在迅速扩大，质量也在逐步提高。有实力的公 司开始把目光瞄向了国际市场。为了改变以手工为主的传统加工方式，增强核心产品的 竞争能力，迫切需要一流的技术和设备实现向集成化、数字化、全自动化、柔性化方向 发展3。 本课题来源于国内某知名汽车内饰公司的“汽车风道成型生产线技术改造工程项 目”。目前该公司的汽车风道成型生产线，于上世纪九十年代末自主研发并投入使用， 专门为生产客车内饰风道产品而设计开发。随着汽车工业的迅速发展，该生产线已经逐 渐不能满足生产的需要。一是不能满足来自客户更高产品精度和质量的要求；二是达不 到日益增长的产能的要求，经常要加班加点才能完成订单要求；三是该生产线已投入使 用多年，大部分设备已陈旧和老化，设备故障率较高，经常停产抢修。该公司虽然对此 生产线进行了一定改善，在一定程度上缓解了该生产线的生产压力，但是并没有从根本 上消除此生产线工艺落后、生产效率低、产品质量不高的缺陷。为了满足客户的质量要 求和公司日益增长的订单要求， 该公司决定投入巨资建设一条具有国内外先进水平的汽 车风道成型生产线。 本课题拟开发的新型汽车风道成型生产线可以广泛应用于客车， 城轨交通工具等内 饰产品的生产，这对提高国内内饰生产工艺水平和质量水平，扩大民族自主品牌，提升 我国汽车装备整体技术水平都具有重要的理论意义和工程应用价值。 1.2 国内外研究现状分析 1.2.1 汽车内饰发展趋势 1汽车内饰发展趋势 汽车内饰是指安装在汽车内的仪表台、风道、座椅、门内板、扶手、顶棚及行李箱 内衬和发动机盖内衬等4。 近年来， 汽车工业的快速发展对汽车内饰提出了更高的要求， 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 2 不但要求汽车内饰件的材料轻便无毒、形状和色彩协调、满足功能性要求，还要求汽车 内饰能满足自己心理情感的需求。据专家分析，随着汽车制造技术的不断进步和人们对 汽车内饰要求的提高，未来汽车内饰的发展将朝着舒适化、人性化、安全化、轻量化、 环保化的方向发展5。 目前，中国汽车工业正处于发展的黄金时期。汽车工业的发展带动着汽车内饰市场 以 30%以上的速度增长6。在如此庞大的市场增量的带动下，国内内饰企业正在努力抢 占市场高地，国外汽车内饰厂商也纷纷登陆中国，这将导致中国汽车内饰市场的竞争越 来越激烈。目前，中国汽车内饰的发展将有如下趋势： （1）随着汽车工业的快速发展，汽车内饰市场将出现较大的增长空间，内饰企业 将运用各种手段抢占市场份额，这将导致竞争的加剧。 （2）外资企业由于在技术上具有较大优势，将对国内内饰企业造成冲击。国内内 饰企业为了应对冲击，一方面降低产品价格，另一面努力学习先进理念和提升产品技术 水平。 （3）汽车配套市场的格局将发生明显变化，供应商的自主性将增强，客户的选择 性也更广。整车内部采购的方式将被打破，而依靠这种采购方式生存的中小企业的压力 将越来越大。 （4）汽车价格的降低迫使汽车厂商将降价的压力转移到汽车内饰厂商上，这将导 致内饰行业的盈利空间减小，部分内饰厂商由于无法维持将面临转行或破产。 （5）国内内饰企业研发能力落后，技术水平较低的局面将逐步改变。由于国外实 行技术保密，国内厂商难以获得技术支持迫使国内企业开始重视技术投入，以提升中国 内饰生产技术的整体水平。 以上表明中国内饰行业将面临着巨大的竞争压力，同时也将迎来巨大的发展机遇， 挑战与机遇并存。 2汽车内饰件加工工艺发展概述 汽车内饰加工工艺是伴随着化学工业的发展而逐步发展起来的。随着聚氨酯（PU） 产品在汽车内饰行业中的应用越来越广泛， 聚氨酯成型工艺已经发展成为汽车用塑料件 图 1- 1 汽车风道 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 3 生产中最重要的成型方法之一。在各种聚氨酯的成型工艺中，反应注射成型（RIM）工 艺已经成为了近年来汽车内饰行业的主要成型工艺，获得了良好的经济加工效益7。 反应注射成型（RIM）工艺是 20 世纪七十年代发展起来的一种聚合物成型新技术。 它的特点是液态原料组分在进入模具前的瞬间相互高速碰撞混合，然后注射到模具内， 可在室温下反应，短期完成聚合物的聚合，链增长、交联、固化等阶段，从而获得高质 量的制品。由于 RIM 工艺的优点，在八十年代已成为聚氨酯材料，特别是汽车用聚氨 酯材料的重要成型技术之一8。 RIM 聚氨酯制品的优良性能和良好的工艺性使得研究人员尝试让其来代替金属部 件，以满足汽车轻量化和低能耗的要求。在尝试的过程中，研究人员相继开发了聚氨酯 增强反应注射成型（RRIM）工艺和结构增强反应注射成型（SRIM）工艺9。 RRIM 工艺是在 RIM 聚氨酯工艺基础上加入增强剂，使之在保持 RIM 工艺优点的 基础上还能获得更好的性能。 其核心技术是将纤维增强聚合物技术与反应注射成型技术 相结合， 把增强材料加到RIM原料中的任何一个组分， 工艺步骤与RIM相似。 鉴于RRIM 工艺的优点，从 20 世纪八十年代以来发展很快，成为了聚氨酯成型中的主要工艺。 RRIM 工艺虽然可以提高产品的性能，但是对增强填料的性质有着一定的要求。为 了克服该问题，研究人员开发了 SRIM 工艺。该方法是先在模具中铺设增强网垫或者骨 架后再浇注混合物料。其对增强填料的要求降低了很多，但是要求反应物料的粘度尽可 能低，以便料液能顺利的穿过网垫或者骨架并且均匀分布，此种工艺也得到了大量的应 用。 近年来，在增强反应注射成型工艺中，研究人员开发出一种新型的长纤维增强聚氨 酯反应注射成型工艺（LFI）10,该工艺也是基于 RIM 技术。它克服了 RRIM 和 SRIM 工艺的缺点，在保证 RIM 优势的基础上又能显著增强产品性能。LFI 工艺是聚氨酯复合 材料的重大研究成果。它于 1995 年由总部设在德国的克劳斯玛菲（Krauss Maffei）公司 首先推出，目前该公司拥有此技术的大部分专利。该加工方法是在浇注的同时，在高压 发泡机混合头附近用切碎机将很长的玻璃纤维粗纱切割成长度为 110cm 分散的短纤 维，这些纤维在聚氨酯物料注入到模具中之前在混料腔中被物料浸润，一同进入模具， 经化学反应固化成型，制得玻璃纤维增强聚氨酯制品。作为较新的工艺，LFI 工艺不仅 在汽车市场，而且在器械、住宅建筑市场都是令人关注的可替代 RRIM 和 SRIM 的成型 方法。 我国在 20 世纪八十年代初就开始引进与开发应用 RIM 技术， 形成了从原料、 配方、 加工工艺直至产品的成套技术。国家将聚氨酯 RIM 的开发列入了“七五”和“八五” 攻关课题，一些科研院校和研究机构进行了相关研究，取得了一定的成果。1991 年国家 组建了 RIM 工程技术研究中心，进一步推动了我国 RIM 高新材料的开发和应用11。直 到现在，国内的 RIM 工艺仍主要用于聚氨酯材料，对其他种类的材料研究目前还不是 很广泛，这在很大程度上限制了国内 RIM 技术的推广。我国的长玻纤增强反应注射成 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 4 型技术起步比国外要晚，且由于技术落后，国内许多工业场合的反应注射成型依然要由 人工去完成，自动化程度很低，生产效率也不高，而且一些作业环境对人体有一定的危 害。由于反应注射成型核心技术在国外，且进口设备的价格很高，一般公司没有实力进 行更深层次的开发，这严重制约了国内技术的发展。 1.2.2 模压机机身结构分析 模压机的机身是模压机的重要组成部分，它是模压机其他零件的装配基体，更重要 的是还要承受机器的全部工作载荷。因此，模压机的机身的承载能力、变形大小及其动 态特性将直接影响着产品的性能和精度。由于模压机加工范围较为广泛。因此，模压机 的结构形式可能完全不同，但是其原理或者实现的功能是一样的。 在模压机的设计过程中，很多因素会影响着模压机的质量，其中模压机的结构设计 水平是非常关键的一个因素。因此，模压机设计中的重点是机身的结构设计，这是由机 身的受力和结构特点来决定的。模压机的机身是模压机的重要组成部分，其重量约占整 机重量的 65%以上，因此，模压机的机身的设计水平对于模压机的制造成本、技术性能 和使用寿命有着决定性的影响。在模压机机身的结构设计过程中，有传统设计方法和现 代设计方法两种12- 13。 传统设计方法主要是指在计算机出现并大规模应用之前， 设计人员利用材料力学简 化方法来计算主要部件的强度和刚度。他们凭直觉和经验，把机架和横梁分别简化为材 料力学中的平面钢架结构和简支梁结构，并粗略估计零件的各种特性，然后按照材料力 学方法进行刚度和强度校核，并且进行一些小规模的实验来对类似结构进行比较。虽然 大多数结构在实践应用中被证明是安全和有效的，但是由于不能得到精确的计算结果， 设计者将安全系数取得过大，这导致了结构冗余和材料使用偏于保守等弊端，削弱了产 品的竞争力。传统设计方法实际是一种半理论、半实验的设计方法，其主观随意性比较 大，因此很难获得客观存在的最佳方案。但是传统结构设计方法在长期的实践过程中积 累了大量宝贵经验，其为现代设计方法的发展奠定了坚实的基础14。 随着科学技术的发展，传统设计方法已经满足不了工程应用的要求。从上世纪六十 年代开始，世界上先进的工业国家纷纷研究和应用新的设计方法，现代设计方法在这种 形势下应运而生。有限元方法是现代结构设计方法中的一个重要方法，其实现了结构设 计史上的一次飞跃15。它是以计算机为工具的一种现代数据计算方法，是矩阵方法在结 构力学和弹塑性力学等领域的综合应用。 它不仅能处理工程中复杂结构的静态和动态分 析，还可以进行复杂的非线性问题和非稳态问题的分析，并且能准确的预测应力分布和 变形，成为了结构设计方面的强有力分析工具16。 有限元方法出现初期， 由于当时理论还不完善且计算机的硬件和软件也无法满足使 用需要，因此没有在工程上得到普及。到了七十年代出现了大型通用有限元程序，其以 功能强大、使用方便、结果可靠等逐渐成为了技术商品，给工程应用带来了极大便利。 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 5 经过了二十多年的发展， 有限元理论上已经相当成熟。 目前， 有限元法在现代结构力学、 热力学、电磁学和流体力学等领域都发挥着相当重要的作用17。 在实际的工程设计过程中， 一个产品或者零件的设计往往存在着多个可供选择的方 案，如何从中选择最佳方案一直困扰着设计人员。基于有限元优化设计方法的出现，解 决了此难题。优化设计方法在结构有限元分析的基础上进行优化设计，使人们在进行工 程设计中可以从无数的方案中找到尽可能完善的设计方案， 这大大提高了工程设计效率 和质量。目前，优化设计成为工程应用中的一个重要方法，广泛应用于各个工程领域， 产生了巨大经济效益和社会效益，已经成为 21 世纪工程设计人员必须掌握的一种设计 方法18。 国外对于模压机的机身设计有大量的研究，德国的 Neuman M 和 Hahn. H 建立了模 压机的几种工程模型，通过实验验证模型的参数，从而对模压机进行计算机仿真和动态 设计19。丹麦的 M.Arentoft、M.Eriksen 和 T. wanheheim 等进行了模压机试验，确定了 模压机的六个刚度，从而为模压机的设计提供了有益的帮助20。 国内的专家学者也纷纷采用有限元技术对结构进行分析。 张祖芳等应用有限元分析 软件对压力机进行分析，根据分析结果对机身进行了结构改进和优化，显著提高了机身 的设计水平21；秦东晨等利用结构优化方法对四柱式模压机下横梁进行机构设计，取得 了很好的结果22；叶宏克等对粉末成型模压机的机身进行了结构分析和优化设计，并通 过模态分析给出了机身的固有频率和相应的振型，在此基础上对结构进行了改进，保证 了设备的性能23。 以上研究通过对模压机进行有限元分析，揭示了模压机的静、动态特性，反应了模 压机在实际工作状态下的应力和应变规律，并且采用优化方法对机身进行轻量化设计， 为各种类型的液压设备设计提供了很好的理论依据， 同时也为后人的研究奠定了理论和 实践基础。 1.2.3 数字化工厂技术 随着计算机技术在制造行业的应用越来越广，传统的制造模式发生了明显变化，产 生了一系列新的制造理念，如网络化制造、敏捷制造、数字化制造、虚拟制造等24。这 些技术都是以高度柔性化、智能化和集成化为特征，以提高产品质量和缩短开发周期为 目的，它们的出现使得制造系统变得更加先进和复杂。随着各种现代制造技术和软件技 术的发展、研究与实践的不断深入，数字化工厂技术应运而生，它是根据虚拟现实的原 理，通过计算机提供的虚拟开发环境，运用 CAD 技术实现包括产品的设计和制造等生 产阶段的功能来达到缩短产品上市时间、降低生产成本、提高生产效率等目的。 传统的生产线设计根据产品的设计要求来决定设计方案， 然后按照此设计方案进行 设计工作。 传统方法不能直观的满足实际设计的需要， 缺乏有效的验证， 不能提前预测、 评估整条生产线的性能，且当产品发生变化时，不能得到及时调整。而当数字化工厂技 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 6 术出现之后，可以利用数字化工厂技术来根据市场的需求实现产品设计、制造和仿真等 一系列任务。也就是说在设计过程中可以通过数字化工厂技术来模拟生产的全过程，这 样能最大限度节省研发的时间和资金投入。 目前， 知识转化为技术的周期已经越来越短， 数字化工厂能极大地缩短设计与产品制造之间的鸿沟25。 数字化工厂的提出对传统制造业造成了极大地冲击， 该技术目前已成为国内外研究 的一个热点。虚拟制造技术是数字化工厂技术的基础，它为数字化工厂技术的发展奠定 了扎实的理论基础。自动化和信息技术的发展也促进了数字化工厂的发展。数字化工厂 仿真技术可以使企业更多地摆脱生产物质的约束，进行创造性工作，企业也可以在新产 品开发、成本、价格、质量和服务方面提升竞争力。 目前数字化工厂技术已经开始在航空航天、汽车、能源等行业得到广泛应用并创造 了可观的效益。国外一大批著名的企业如宝马公司（BMW）、福特公司（Ford）等都 开始采用数字化工厂技术来解决工程实际问题，美国宇航局（NASA）采用数字化工厂 技术对卫星飞行过程中环境的变化进行分析和仿真，取得了很好的效果；波音公司在飞 机的设计过程中采用数字化工厂技术，降低了设计成本和缩短了开发时间。国内上海大 众采用了数字化工厂技术成功用于发动机生产线的设计和优化， 一汽大众也成功应用数 字化工厂技术完成了其车身解决方案，海尔集团引进了数字化工厂技术，实现了 500 种 洗衣机的按单生产，康佳集团应用数字化工厂技术减少了 90%的手工操作错误，节省了 约 30%的产品研发费用26。 由于数字化工厂技术处于制造业的战略前沿， 各国的制造企业都希望通过信息技术 的发展来带动制造业走向更高的层次，这也为数字化工厂技术的应用打开了广阔空间。 目前各国都相当重视制造业的信息化和数字化，都投入巨资进行技术开发。目前，欧美 等西方发达国家已经走在世界的前列。为了适应制造业的快速发展，我国提出了实施制 造业信息化的战略。在“十五”期间，科技部从 863 计划和攻关计划中拿出 8 亿元资金 来组织实施“制造业信息化关键技术研究及应用示范工程”，在“十一五”期间，我国 又投入了巨资来支持制造业信息化工程技术，并且在国际上广泛开展合作，利用国外先 进的技术优势来帮助我国企业迅速提升生产能力和竞争力。目前，信息化建设已经成为 了我国制造业信息化建设的一个重要组成部分， 而数字化工厂技术是我国制造业信息化 建设的重要组成部分，成为现代制造业中最先进的技术之一，它将改变我国传统的工艺 规划流程，实现真正的数字工艺规划管理，这对我国数字化工厂技术的研究和应用具有 积极的促进作用。 1.2.4 目前存在的问题 （1）由于国内对于汽车内饰成型技术的研究起步较晚，与西方发达国家相比还存 在着较大的差距，核心设备依靠进口，附加值高； （2）生产方式还是以手工操作为主，自动化程度低，产品的技术含量和质量水平 湘潭大学硕士学位论文 第1 章 绪论 7 较低； （3）国内的大多数企业还处于采用传统设计方法阶段。由于生产线结构庞大，零 部件繁多而且空间结构也较复杂，传统设计方法已经满足不了设计要求，迫切需要设计 人员将现代设计技术引入到生产线的研究开发过程中。 1.3 研究目标和研究内容 1.3.1 研究目标 本文以某汽车风道成型生产线为研究对象，综合运用生产线平衡原理、CAD 技术、 数字化工厂技术和有限元技术，实现对汽车风道成型生产线方案的验证与分析优化，为 内饰件生产企业提供了重要的参考。 1.3.2 研究内容 本文从汽车风道成型生产线的生产工艺出发， 运用先进的现代设计方法来提高风道 成型生产线的设计质量、缩短设计时间。具体的研究工作如下： （1） 综述了汽车风道成型技术、模压机结构设计技术和数字化工厂技术的研究现 状，阐述了汽车内饰行业的发展方向。 （2）从工艺流程出发，分析了汽车风道成型生产线的生产方式及工艺流程，并运 用生产线平衡原理评价生产线节拍的科学合理性 （3）作为对数字化工厂的开发模式和技术方面的探索，利用数字化工厂软件 DELMIA 对汽车风道成型生产线进行了整体虚拟仿真， 验证整个成型生产线设计方案的 可行性。 （4） 针对汽车风道成型生产线的设计要求， 应用 ANSYS 软件对生产线关键设备成 型模压机进行有限元分析和优化设计，并对整个模架进行模态分析。 1.4 本章小结 本章首先阐述了开发新型汽车风道成型生产线的背景及意义， 然后通过分析汽车内 饰的发展趋势和现代生产线研发中先进设计手段的研究现状， 针对目前汽车内饰成型生 产线所存在的问题提出了解决方案，并明确了本文的研究目标和研究内容。 湘潭大学硕士学位论文 第 2 章 相关基础理论 8 第 2 章 相关基础理论 2.1 引言 汽车风道成型生产线设计具有大投资，高风险等特点，一般建设周期较长，其设计 和规划都需要先进的理论和技术支撑。为此，本章介绍相关的基础理论。 2.2 生产线平衡基本理论 生产线平衡主要包括生产线平衡的相关定义、生产线平衡的意义、工艺平衡率的计 算、生产线平衡内涵及改善方法等几个方面的内容。 2.2.1 生产线平衡相关概念 在介绍生产线平衡之前，先了解有关生产线平衡的概念27- 28： 生产线节拍（Cycle Time）：指连续完成两个相同产品之间所间隔的时间，换句话 说就是完成一个产品所需要的平均时间。生产线节拍表示生产率的高低。 生产线瓶颈（Bottleneck）：通常指生产线上生产节拍最慢的环节。生产线瓶颈限 制了生产线的整体生产效率，还影响了其他工位的生产能力。广义的生产线瓶颈是指所 有可能制约生产线效率的因素。 生产线空闲时间（Idle Time）：是指工作时间内没有执行有效工作任务的时间，可 以是设备或者人的时间。当生产线各个工序之间的节拍不一致的时候，就会产生生产线 空闲时间。 生产冗余率（）：是指由于生产线平衡延迟而造成的生产线时间闲置率。 生产线效率（）：指生产线有效生产时间的利用率。 现代制造业的生产过程基本上是将完整的工艺过程划分为多个子工序， 然后产品在 各个小工序之间实现流水式作业，这样可以简化作业流程，提高整体生产效率。但是在 将工艺划分为多个子工序的过程中，各个子工序的作业时间可能会不尽相同，这就会导 致生产线负载不均衡。负载高的工序不能按时完成生产任务，而负载低的工序空闲时间 太长，这会严重影响生产线的整体效率。为了解决此问题，必须对各个小工序的作业时 间进行合理的分配，以达到每个环节的负载均衡，生产线流畅运行的目的，这就是生产 线的平衡性。 生产线的平衡性也叫生产线的节奏性， 是指在生产过程中的各个环节要按照相同的 节奏，在相同的时间内生产和交付同等数量的成品，各个工序的负荷保持相对稳定的一 种技术手段与方法。其主要存在以下几个目的29：1）提高生产线的整体生产效率；2） 湘潭大学硕士学位论文 第 2 章 相关基础理论 9 减少单件产品的时间消耗，降低生产成本；3）实现流水化生产方式；4）实现单元生产， 提高市场应变能力，实现柔性化生产。 2.2.2 生产线平衡的意义 流水生产线的基本要求是保证生产过程最大限度的合理化。 因此要在空间和时间上 合理布局，不仅能保证生产过程能连续有序的进行，还要不断的提高生产效率。目前我 国大量的生产线还是以手工和半自动化为主，因此进行生产线平衡设计就显得很迫切。 总的来说，生产线平衡具有如下意义30- 31： （1）生产线平衡有益于提高生产效率，在相等的时间内创造更多的价值； （2）生产线平衡有益于保证产品的质量，不会发生瓶颈工位的工人为了赶进度而 忽视产品质量的现象； （3）生产线平衡是企业实现流水式生产方式的前提； （4）提高生产线平衡率有益于调动工人的积极性。在一条负荷平衡的生产线上操 作的员工心里有一种公平感， 而在不平衡生产线上的瓶颈工位的工人会因为劳动强度太 大而产生抱怨情绪，从而影响整个生产线工人的士气； （5）生产线平衡有益于实现单元生产方式，提高生产应变能力来应对市场变化， 实现柔性化生产。 2.2.3 平衡率的计算 因为汽车风道成型生产线是按照生产单一风道产品设计的，兼顾生产小件产品，因 此，在这里只介绍按单一大批量的计算方法。计算流程一般如下： （1）确定生产节拍 CT： D D TT CT NN (2- 1) 其中： T表示单件标准的总加工时间 N表示工作的位数 TD表示每天的工作时间 ND表示目标日产量 （2）计算生产线的效率 ： 1 m i i t mP (2- 2) 其中： m表示工位数 P表示生产线的节拍 湘潭大学硕士学位论文 第 2 章 相关基础理论 10 ti在第 i 个工序的实际加工时间 （3）计算生产线的冗余率 ： 1 () Z j j Pt ZP (2- 3) 其中： tj在第 j 道工序的实际加工时间 Z表示总工序数 当生产线整体的生产平衡率处于 60%70%时，可以认为其处于没有经过管理改善 的自然状态，其中可能存在着工艺不合理或者效率问题，还有很大的改进空间；当生产 率处于 70%80%时，可以认为生产线处于低水平生产管理状态或者还存在技术问题； 当生产率处于 80%85%时，说明生产管理或者布局和技术已经处于较合理的地步，还 可以通过优化来提升；当平衡率处于 85%以上时，可以称之为符合流水式的生产方式， 这是各制造企业需要的优秀生产线。 2.3 有限元基本理论 2.3.1 有限元法简介 有限元方法是伴随着计算机的发展而迅速发展起来的现代计算方法。 其首先在连续 力学领域如飞机的结构静态、 动态特性分析中得到应用， 并很快应用到热传导、 电磁场、 流体力学等方面的连续性问题方面。 有限元方法的实质是将连续体用简单的离散体来代 替，将复杂问题简单化后再进行求解。根据有限元方法在工程中的应用情况，可以分为 线性和非线性两种方法。 而线性有限元方法又可以分为静力有限元方法和动力有限元方 法32。 有限元方法的基本思想是先将连续的结构体离散为有限个单元体， 这些