AI技术实现新能源电池包公差仿真
赛事案例展
导读：传统装配公差仿真过程中创建特征、定义公差、创建装配、创建测量全部通过手工操作完成，建模过程比较繁琐，只有少数专业的尺寸工程师能掌握这些方法，限制了三维公差仿真技术的应用范围。本案例通过多种AI技术如图像识别、深度学习等和三维数模解析技术的联合应用，实现新能源车动力电池包上下盖装配公差仿真自动化，提升公差仿真效率60%以上，降低了三维公差仿真软件对工程师的技能要求。
项目背景：电池包研发企业在产品开发过程中传统公差仿真业务通常由专门的尺寸工程师建模仿真，由于电池包上下盖连接螺栓数量多，导致上下盖公差仿真装配建模时有大量的重复性操作，建模时间较长。且目前的电池包都是针对单一车型或平台开发的专用件，产品型号非常多，尺寸工程师难以在规定的时间完成全部的仿真工作，只能将问题留在试制过程中发现再调试解决，拉长了开发试制周期。
常见的电池盖上下壳体通过周边50-80个螺栓紧固，如果制造偏差的设置或装配过程中定位销位置不合理，这些螺栓难以同时通过，装配后上下盖法兰面的贴合质量不佳会影响电池的密封性和安全，螺栓与螺孔干涉会导致在工位上需要反复调整，延长工序的生成时间影响产能，因此在设计阶段对螺栓通过性进行虚拟评价至关重要。
本案例使用DTAS3D软件建立电池包三维公差仿真分析模型，利用蒙特卡洛法评价上下壳体螺栓一次性通过的合格率，并找到影响其合格率的关键因素，比如螺栓孔的位置公差，定位方式等，从而指导上下壳体的公差设计和工艺设计等。公差仿真过程中使用AI技术，自动创建装配和测量特征，使用DTAS3D的命令流功能一键驱动公差赋值和创建装配、测量操作，大幅的简化操作过程，减少了工程师的重复性操作，提升仿真建模效率。
图 1-1
1.1 分析流程
1.2.1 公差仿真的基本假设
(1) 下壳体被假定为刚性体，上壳体分块，每块均为刚性体。
(2) 所有的仿真结果均不体现由实际的环境条件所引起的变化。
(3) 所有的仿真结果均不体现热变形、热膨胀、震动等条件引起的变化。
(4) 所有的线性公差设定均为正态分布，所有圆形公差带均默认为瑞利分布，除非有特殊说明。
(5) 所有的零件公差设定均是基于99.73%，±3σ作为输入。
(6) 所有的仿真结果均是基于99.73%，±3σ统计结果，模型模拟5000次的装配。
1.2.2 三维公差仿真建模流程介绍
基于蒙特卡洛法的三维公差仿真流程一般分为建模前准备、特征创建、公差赋值、创建装配与测量和提交仿真五个过程。
建模前的充分准备是公差仿真的基础，包括三维数模的准备和导入DTAS 3D软件，收集产品的装配工艺流程、公差参考标准和测量评价目标等。
特征创建是将产品按工艺流程装配的配合特征和需要测量评价的目标特征在公差仿真软件中提取成参数化特征。
公差赋值是对提取的装配和测量特征按照公差参考标准或其他的标准要求赋值变量范围。
创建装配和测量是按工艺流程在公差仿真软件中定义装配过程，按测量要求设定虚拟测量特征的波动评价范围。
提交仿真是将已经创建完成的公差仿真模型提交给求解器进行运算，得到测量评价目标的波动范围是否在允许的目标范围内。
如下图1-2是公差仿真的常见步骤。
图 1-2
1.2.3 电池包上下壳建模过程描述
1.2.3.1 仿真要求
(1) 建模要求：上壳体为复合材料件，刚性较低，装配时存在变形，为降低变形对仿真结果的影响，考虑上盖分区域装配，可如下图1-3分为四片区域分别装配；
(2) 求解内容：上盖所有安装孔是否满足装配要求；
图 1-3
1.2.3.2 装配顺序说明
(1) 预锁4个对角M5螺栓，将其余螺栓全部对孔预锁（预锁时，局部区域部分孔对装不上，用长销强行对中一个安装孔，再预锁其余安装孔）下图所示为部分长销位置。
(2) 统一锁紧全部螺栓。
图 1-4
1.2.3.3 模拟方案
本案例中，需要考虑上盖分区域装配，各区域边界（对角装配孔）借用同组装配特征，保证边界孔（使用了定位销）先能安装通过。下图1-5所示为分块1的安装方案示意图，其余分块装配按照相同的思路创建。
使用DTAS3D的321装配功能安装分块区域，再使用迭代装配模拟长销定位。
第一组特征Z：定位面定位到壳体定位面上，见图1-5中的3个Point Z。
第二组特征Y：见图1-5中分块_1对角孔Hole_Y与Hole_YX
第三组特征X：见图1-5中Hole_YX
如下图1-6所示是DTAS 3D中的321装配功能操作界面。
图1-6
长销插入后相于增加了必须要保证能通过的孔，在321装配的迭代装配中添加迭代条件，保证插销的孔能对准。如下图1-7所示添加的迭代条件。
图1-7
1.2.3.4 公差定义
制造偏差是导致孔销干涉的重要因素，因此对已经创建的特征需要设定公差，见图1-8所示，DTAS3D中公差定义后的状态。
图1-8
1.2.3.5 创建测量
每个分块装配完成后，未参与装配操作的孔位需要创建测量，判断孔销是否有干涉。如下图1-9所示图中红色标记的孔为分块1中需要创建测量的孔对。其余分块的测量与分块1处理方式相同。
图1-9
以上创建的测量只能判断单个孔是否发生干涉，如果要判断多个孔是否能同时通过，需要使用DTAS 3D中的逻辑表达式，将各分片测量的孔销间隙同时进行判断，如果同时大于0则表示该分片的所有孔都能顺利装配上螺栓。如图1-10为逻辑表达式操作。
图1-10
1.2.3.6 AI智能公差建模
与传统公差仿真相比，使用AI技术自动识别电池上下盖的孔销对，基于机器学习模型，在新导入的数模上自动判断分片位置和调用装配程序进行装配，调用公差库数据进行公差赋值。整个公差仿真的过程由计算机自动完成。见图1-11是AI智能仿真与上述传统公差建模流程的差异。
图1-11
1.2.3.7 仿真结果
使用AI智能建模的仿真结果与手动建模的结果相同。下图1-13为AI智能建模后的仿真结果。
图1-12
1.2 特色与优势
图1-13是AI智能公差仿真与公差仿真效率优势对比。DTAS 3D通过使用AI技术实现自动创建特征，自动创建装配和测量，将大量的手动操作由计算机完成，提高了公差仿真的效率，也降低了对工程师的软件操作技能要求。
图1-13
