1 背景

      集成工程样车试制是正式量产之前的首次实体造车，对于验证产品数据正确性、减少后期量产活动中的问题及降低研发、制造成本起到至关重要的作用。为了应对日益激烈的市场竞争，各车企进一步加大在新概念推广、智能新技术应用、全新车型开发上的投入，并推出更加复杂的车型体系，使得样车试制也逐渐面临造车周期越来越短和质量要求越来越高的挑战。

      1.1 虚拟验证技术在整车开发过程中的重要性

      虚拟验证技术是在数字化技术和制造技术融合背景下，利用仿真工具、三维可视化工具、分析工具以及其他协同工具对产品信息和工艺信息进行分析、规划和重组，实现对产品定义、设计和性能仿真的技术。

      跟实物验证相比，虚拟验证周期更短。通过虚拟验证工作，可以在试制模具开发之前对零件数据进行全面验证，可有效避免完成实物装配、试验之后，重新修改设计、修改模具、重新试验等情况的发生，极大降低整车开发费用。

      在现代整车开发流程中，面向前期的设计开发工作有固定的虚拟验证节点，不同子系统工程师在相应的节点，采用虚拟验证技术，对车辆的子系统布置、车辆空间、可靠性、功能性、制造工艺等方面进行可行性分析和研究。因此，虚拟验证为整车开发关键节点的重要评审内容，已成为产品开发流程不可分割的一部分。

      1.2 国内车企当前现状

      工程样车试制处于整车开发的中间环节，上游为造型设计和零部件设计，下游为试验认证和生产导入。国内车企由于流程、技术及资源等问题，在产品试制阶段，多数以实体造车为主，通过物理试制发现问题，工程样车虚拟验证存在空白，如图1所示。
   
      作为从设计开发向投入生产转换的重要环节，样车试制必然面临周期短和样车质量高的挑战，同时也要面对输入边界不清晰，过程变化频繁等问题，因此，如果问题发现不全面、验证不充分，将直接影响项目开发的质量。

      “智能化驱动的工程样车虚拟验证”项目通过在物理试制之前，引入样车虚拟验证环节，通过采用虚拟产品架构、数模及可视化数据和配置车型定义等一系列虚拟验证技术对整车及子系统各项性能进行全方位验证，如图2所示，从而在生产导入之前，提前发现和解决设计问题，使产品设计更加贴合实际需求，减少物理样车装配数量，从而缩短研发周期，降低开发成本。

2 工程样车虚拟验证

      2.1 内涵

      智能化浪潮驱动下，随着数字虚拟技术的进步，通过虚拟形式，全面映射实际产品的全生命周期过程，最终通过不断迭代使虚拟技术无限趋近物理实体。

      “人、机、料、法、环”作为全面质量管理理论中影响产品质量的重要因素，是企业在进行质量管理中应重点考虑的五个方面。本项目基于全面质量管理的核心理念，采用正向同步开发思路，以“智能化虚拟验证”为主线，创建工程样车虚拟验证质量管理体系，实现对过程质量的闭环管理，并形成一套可推广的质量管理标准化模板，支撑企业全面质量管理工作，如图3所示。
 
      2.2 总体设计

      智能化驱动的工程样车虚拟验证管理体系，作为连接研发设计与试制生产的重要环节，上承设计发布，下启生产导入，如图4所示，通过梳理、定义、规范虚拟验证质量管控内外所有条线的工作流程和机制，构建“一站式”数据协同平台，强化数模发布质量管控，自主开发虚拟验证自动化工具，打造一支既懂业务流程又具备数字化作战能力的专业团队，突破传统汽车制造企业靠实体试制及造车质量爬坡阶段提升产品质量为主的惯用思维，突出各种资源的有效整合，将质量风险遏制在开发源头，有效提升产品竞争力。其总体设计包括五部分：

      1）创建精益化工程样车虚拟验证流程

      2）构建“一站式”数据协同平台

      3）强化满足虚拟验证需求的数模发布质量管控

      4）开发覆盖全业务链的智能化虚拟验证质量检查工具

      5）打造跨职能复合型虚拟验证质量管理团队
 
      2.3 实施过程

      2.3.1 创建精益化工程样车虚拟验证流程

      1）工程样车虚拟验证关键节点及周期

      工程试制样车作为正式量产之前的首次实体造车，对于验证产品数据正确性，保证后期量产造车的顺利进行至关重要。工程样车虚拟验证通常在实体造车前3-4个月启动。

      为了更好地应对市场需求，现有的整车项目开发都不会以单一的车型布局，架构化、模块化和平台化开发模式得到进一步普及。面对多产品系列及不同的配置需求，需要在短时间内利用有限资源评审尽可能多的车型配置及子系统功能模块。其核心过程包括虚拟评审计划制定、虚拟样车搭建、虚拟评审问题汇总及问题跟踪解决等环节，合计约为8周，如图5所示。
 
      2）工程样车虚拟验证指标管理

      在虚拟样车搭建过程中，充分整合工程样车虚拟评审相关体系和标准，将虚拟评审质量标准最终融合落实到一套流程中实现，并从上至下按照“流程规范-技术要求-零件策略”的结构逐层展开，通过系统梳理各层次要素及其内在联系，形成标准化的体系文件，创建一套完善的包含验证问题类型、标准规范等指标管理体系，从而确保对每一个检查项都有可以量化的评判标准。并为人机工程校核、结构设计优化及制造工艺模拟等提供理论依据。

      3）工程样车虚拟验证质量问题跟踪管理

      在样车搭建过程中，严格基于技术要求及零件验证策略，按照“系统-子系统-零件”的顺序，逐个数据检查，对每个问题进行分析，通过制定问题记录跟踪模板，将问题记录到问题跟踪清单，如图6所示。
 
      本成果根据全面质量管理中的PDCA循环方法，基于SMART原则，构建了一套完整的问题跟踪管理机制。通过对数据的采集、处理及分析，全面升级问题分析及反馈解决手段，实现质量问题的有效监控，确保数据同源、问题可追溯，从而将对后期反馈问题的修正转化前期对问题的预警，如图7所示。
 
      2.3.2 构建“一站式”数据协同平台

      1）工程样车虚拟验证设备环境支持

      企业工程样车虚拟验证需要系统设备环境支持，如图8所示。

      产品设计系统：在UG NX系统中对汽车零部件进行数据化，即形成三维CAD BOM结构，以及附加更多的几何信息及功能特性。

      装配关系管理系统：利用TcAE Mainstream Module，根据零部件之间装配关系建立表示零部件装配关系的树状结构，并作为数据存放系统。

      样车搭建系统：利用TcAE Build Module，结合二维EBOM清单，创建指定用于实体开发验证需求的IV虚拟样车TKV，并用于虚拟验证数模质量检查。

      轻量化的仿真与分析系统：由于软、硬件限制，为解决虚拟验证过程中的显示问题，借助TcVis系统对数据进行轻量化处理，并利用系统中各种工具对零部件实体装配关系进行浏览。
 
      2）实现“一站式”数据协同

      为解决数据异构转换、与供应商数据协同、数据治理以及为工程样车虚拟验证提供版本正确、结构完整、基准统一、避免冗余的数据来源，开发了“一站式”的数据协同平台，如图9。
 
      该平台架构如图10所示。
 
      通过该平台的构建，实现了准确的数据协同、安全的数据资产管理、自动化的数据质量检查及可视化数据报告自动创建。

      2.3.3 强化满足虚拟验证需求的数模发布质量管控

      本成果通过强化对数模质量的管理，将整车装配结构和数据创建标准有机结合起来，并利用流程检查规则保证了数据质量的可靠性，提高了数模质量，使得下游系统使用统一的数据评审成为可能。
 
      1）采用统一的整车装配结构划分方法

      面对庞大的汽车零部件系统，在总结汽车开发经验的基础上制定了一套全新的产品结构划分方法。其核心是按照部件功能、总装工艺规划将整车结构划分为足够小的总成级别，如图11所示。对于开发一辆新车型来说，通过严格控制约260个左右的小总成就可以了解整个项目的开发进度和开发质量。在产品结构划分方法制定之后，基于产品生命周期管理平台TcAE环境下制定了整车装配结构模板及相应的模板创建、维护流程。

      2）制定标准化数模质量检查清单

      企业通过对业务角色设计、发布、管理、使用工程数模数据权责的定义，建立了统一的数模质量检查清单，该清单包含了五大类、40多项细化检查内容。

       8D分析法是汽车行业一种标准的分析问题方法，其实质同样是PDCA循环。如图12所示。
 
      通过开发自动化的数据检查工具，将数模质量问题管理、变更管理与知识管理融为一体，并通过标准化8D分析法对问题进行分析，在发布工程变更单之前，根据问题分析形成数模质量检查清单，如图13所示。数模质量检查清单依托企业标准整车功能分解结构进行管理，便于检索，以方便指导下一轮数模设计发布工作。
 
      2.3.4 开发覆盖全业务链的智能化虚拟验证质量检查工具

      1）EBOM与CAD BOM的交互验证

      当前CAD BOM与EBOM是两条平行业务，两者的结构特点及应用场景差异较大。CAD BOM是用以表征图纸、数模及装配关系组织的一种产品数据结构，主要用于工程设计，侧重于几何关系、层级结构及参数信息的表达，且随着研发的深入而具有易变性特点。EBOM用以描述面向产品量产的零部件和整车关系，是上下游业务部门开展同步工程(成本、采购、售后、工艺、研发等)的信息载体，具有复用性高的特点。本成果通过将基于二维EBOM的整车配置策略校验逻辑检测技术应用于CAD BOM的配置校验，开发了EBOM与CAD BOM交互验证质量检查工具，基于CAD BOM和EBOM数据进行交叉对比，同时验证三维数据与二维数据的准确性，如图14所示。
 
      2）间隙质量检查

      产品间隙精度对于产品外观质量、安全性、可靠性和舒适性方面有重要影响，直接影响产品的整体性能，最终影响产品市场竞争力。“功能间隙”表示为了达到功能要求，运动件或零部件之间应保持的最小间隙。通常间隙检查分为静态间隙和动态间隙两类。前者主要考虑相对静止的两个零件或者组件之间的最小间隙，如一些零部件之间需要最小间隙以避免热传递；后者则需要关注运动件在整个运动过程中与周围零件的间隙变化情况，如一些运动件之间需要最小间隙以实现在特定自由度上无障碍的运动。

      例如滑移门在商务车中应用广泛，而滑移门作为运动件，需要检查滑移门上的零件与周边零件的间隙情况，以确保滑移运动平顺性。由于周边零件在最终设计方案冻结之前，需要经历多次更改，每次更改都需要重新校核各运动件之间的间隙要求，操作频繁，试验成本高。因此采用间隙质量智能化检查工具，利用包围盒技术，如图15所示，自动创建测量分析报告，记录各组间隙检测数据，并对不符合项进行标识。设计发布工程师基于该测量结果作进一步校验和优化设计，确保产品设计满足整体间隙要求。
 
      3）干涉质量检查

      干涉检查从功能方面分为静态干涉检查和动态干涉检查，从检查范围方面分为系统内部零件间检查和系统间干涉检查。对整车的装配体而言，一般情况下是不允许存在干涉的。如果两个设计发布工程师在将其零部件发布到数模管理系统之前没有做好协同设计更改，导致两个零部件相互干扰；或者设计发布工程师在发布其新版本之前没有检查其零部件的完整环境，那么零件之间可能会发生碰撞和干涉，因此必须通过干涉检查，确保产品设计正确性。干涉检查以子系统(虚拟装配总成)为基本单位，检查两个对象是否相交或有公共部分。

      例如在门饰板的拆装分析环节，干涉的情况会影响安装过程，因此需要检查门饰板与周边零件的干涉情况。由于门饰板设计零件较多，且分析过程包含旋转和移动等多个操作，人工操作耗时久、低效，因此采用干涉质量智能检查工具，利用层次模型技术，如图16所示，自动完成拆装、确定旋转轴；依据模拟拆装路径，自动显示干涉位置；自动测量周边零件的干涉量，并以图标形式输出检测结果，有效地保证总装装配质量。
 
      4）法规符合性质量检查

      随着法律法规日益严苛，对整车各项法规符合性检查提出了新的要求。为了适应当前全球化的开发和验证策略，需要在启动生产前，进行法规符合性检查。法规符合性检查要求项目团队针对产品的销售区域，通过质量阀管理来控制和确认产品设计符合所有相关法规要求。

      以Interface法规复合型检查为例，检查项的繁多和复杂，该过程需要整个项目团队协作完成，耗时较长且准确性难以保证。因此采用法规符合性质量智能检查工具，利用小平面体化技术，如图17所示，基于专家团队对法律、法规的研究和理解，把法规要求转换成专业的工程技术参数及计算机可以识别的规则，对各个检查项逐一进行检查确认，并自动创建检查报告，从而保证产品设计合法合规。
 
      5）可制造性质量检查

      可制造性指在产品设计及工程化的过程中，充分考虑设计结果对于后期的制造实现性、工艺编制、工装夹具设计等生产过程的影响，用以衡量产品设计或工艺能否容易、高质量地被制造出来的能力。在工程样车开发过程中，可用虚拟装配的方式，根据各零部件形状特征、精度特性及约束关系等，在虚拟环境中定义零部件的安装路径和安装顺序，模拟零部件加工及拆装过程。

      例如在钣金件的制作过程中，由于钣金件一般通过冲压工艺制作，因此需要获取钣金件最小冲压负角、展开之后的自干涉情况以及展开之后最小二维矩形信息。经过对检测过程的原理剖析及逻辑转化，采用可制造性质量智能检查工具，利用空间分割技术，如图18所示，可以自动进行拔模分析，计算最佳冲压负角并获取最小冲压负角；通过抽取连续面生成片体，展开钣金面，进行自干涉检查并获取最小二维矩形边界，最终以网页形式汇总结果，自动输出截图信息及分析报告，确保产品设计具有良好的可制造性。
 
      2.3.5 打造跨职能虚拟验证质量管理团队

      1）组建跨职能管理团队

      为了实现工程样车虚拟验证质量管理敏捷化运作，企业以智能化质量管理为先导，秉持开放共享的理念，组建了一支跨职能管理团队。该团队核心部分采用“1+3”的跨职能混合式结构，如图19所示。
 
      2）提升员工数字化开发能力

      企业注重对数字化技能人才的培养：

      （1）建立各类线上系统、学习平台，帮助员工获取数字化知识。成立六大数字化学习俱乐部：Python学习俱乐部、HTML5学习俱乐部、Java学习俱乐部、Excel VBA学习俱乐部、UG二次开发学习俱乐部、大数据学习俱乐部，帮助员工强化技能，如图20所示。
 
      （2）通过拉动资源、共享信息、提供大数据技术及培训等，培养员工对数据进行深度分析的能力；

      （3）通过提供专业的培训、创新项目孵化、系统支持等，鼓励并支持员工将各种数字化成果应用到流程改进及项目优化上去。

3 总结与展望

      历时多年攻坚，利用VB、C++、Python等基础语言，运用智能算法、模块化开发、领域智能化等方法，进行大量自主二次开发，将专家知识、工程师经验、最佳实践等转化成自动化识别逻辑，并开发形成软件工具集或数据库，围绕工程样车虚拟验证过程开发了超过50多自动化工具。在上汽通用140多个产品项目实施应用，大幅提升了虚拟验证的效率，推动了智能化质量检查新理念、新方法、新技术在整车开发中的应用。

      该创新成果实施过程中，衍生出了一些列智能化设计产品及方法。这些智能化产品不仅可以用在工程样车的虚拟验证环节，而且已经推广应用到研发设计、测试认证及制造工艺编制等领域。

      采用本项目成果，实现工程样车数据校验效率与质量的提升。由于EBOM和CAD BOM零件结构清单错误或者不一致，会造成多采购或少采购试制零件，而通常试制零件约为量产零件成本的10倍，因此对采购成本产生重要影响；如果试制之后，才确认需要对零件进行设计变更或对硬件模具进行修改，则需要重新修模，而单次修模费用至少为总模具费用的十分之一，一旦更改不可逆，则需要重新开模，费用将更加惊人；很多问题会造成试验次数的增加，同步增加试验费用；特别是部分问题会影响工装夹具的设计或制备，也会产生不菲的费用；且相当一部分问题会造成试制车间需要返修、重复安装等情况发生，往往会产生较多返修费用。因此，本创新成果在该项目的成功实施，极大节省了实体样车试制费用。

      该创新成果在企业的实施，填补了工程样车虚拟验证业务空白。使得在实体造车之前，通过虚拟验证技术充分的发现问题与校核数据，实现了对产品设计阶段的把控，平均缩短了产品开发试制周期50%。

      同时，该创新成果大力推进虚拟仿真技术在产品方案迭代优化方面的应用，应用仿真技术对方案进行仿真验证，大幅减少了产品设计阶段的时间投入；通过开发自动化检查工具，极大提升了虚拟验证效率；通过与实体造车的相互验证及不断优化，打破了传统虚拟验结果“不可用”、“不敢信”的困局，确保新开发产品方案更加可靠，产品设计质量和用户体验不断提升，有效提升了企业产品迭代率。

      作为该项目核心成果之一的虚拟验证智能化质量检查工具创新平台，由泛亚员工全自主开发。公司在建设以智能化为核心的工程样车虚拟验证质量管理体系过程中，结合上汽通用汽车众多有挑战性项目的实战经验，尽可能将不同特点员工广泛纳入创新发展、数字化转型的轨道上来。从而造就一支既精通整车开发业务，又熟练掌握数字化开发技术的复合型人才队伍。

      以工程样车虚拟验证为核心，围绕智能化质量检查，公司形成一系列自动化检查工具，逐渐攻破汽车智能化设计与分析的技术和产业瓶颈，为汽车智能制造奠定了重要基础。通过满足智能化时代对产品迭代周期、产品数字化交付应用、产品全生命周期自动化管理等需求，汽车研发有了向更高层次智慧化、智能化发展的基础条件，促进了汽车研发从传统工程研发向未来智能出行开发的升级进化。