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01采用DFMA設計具有的優勢
面向制造和裝配的設計是指在產品設計階段，充分考慮來自于產品制造和裝配的要求，使得設計的產品具有很好的可制造性和可裝配性，從根本上避免在產品開發后期出現的制造和裝配質量問題。利用DFMA?技術可以在產品的早期設計階段，對影響產品開發時間、成本和質量的各種因素進行定性分析和定量評估，從而優化產品設計。實施DFMA?的基本思想是通過減少零件數量、簡化產品結構，實現減少單個零件的加工時間和總的裝配時間，從而達到減少整個制造成本的目的。DFMA強調“第一次把事情做對”的思想，而不是匆忙進行模具設計和制造，待產品生產出來后，通過“反復修改才能把事情做對”。與傳統設計相比，DFMA設計具有縮短產品開發上市周期、減少設計修改及制造成本、減少零部件裝配成本、提升產品質量等優點。
02DFMA的技術方法
DFMA設計通常采用以下技術方法。首先，通過建立并行工程團隊，由設計和制造工藝人員等共同完成產品的設計，并對產品的材料選擇、加工工藝、裝配過程、檢驗方法、維修和維護過程等進行綜合分析。其次，總結歸納DFMA?的設計準則，以手冊、標準規范的形式指導研發工程師進行產品精益設計。最后，采用計算機輔助分析工具，對零件的形狀、裝配過程、制造成本等進行分析，對多種設計方案進行比較和優化，最終得出最佳方案。本文描述的再設計案例應用的工具是BDI公司的DFMA?軟件。DFMA?軟件包括DFA和DFM兩個模塊，分別通過對總成裝配和單件制造進行設計分析，幫助工程師“看到”設計浪費，是“發現浪費”、實現精益設計的工具。其中DFA模塊通過評估裝配時間和成本，判斷每個零件的存在價值及裝配過程復雜程度，進行不同設計方案對比，簡化設計結構，獲取最優設計方案。而DFM模塊通過評估單個零件的加工時間和成本，指導工程師在零件設計時進行不同材料和工藝的合理選擇。并結合供應商的實際制造條件，進行有建設性的溝通，實現制造過程成本優化。
03再設計背景
北汽集團作為國內大型汽車企業，早在2015年就提出“低成本，造好車”的奮斗目標，并在2016年引入精益設計理念，通過理論培訓、實車拆解及應該成本分析的形式，對北京越野車已量產車型進行設計優化。2017年，北汽越野車研究院領導大力支持設計階段成本控制的各項工作開展，并成立設計成本工程部，專門進行產品設計前期的成本控制及后期的成本優化工作。為了最大可能確保設計前期的技術方案最優，設計成本工程部組建了專家團隊，對新產品前期設計方案進行成本分析評審，基于DFMA?考慮在概念設計階段對產品的成本進行有效控制。
04原設計問題發現及再設計思路
2017年4月，設計成本工程部的工程師在用DFMA?軟件對某新車型的前保險杠系統進行成本分析時，發現前格柵與車身的安裝結構設計不合理，安裝點強度較弱，初步判斷存在斷裂風險。同時安裝點的位置距離格柵重心比較遠，安裝穩定性不好。究其原因，是沿用的原車身結構及安裝點位置造成的?！翱墒?，沿用的車身結構是好的設計嗎？”，“如果原技術方案存在設計缺陷，給新產品帶來設計隱患或復雜的設計結構及高成本，怎么辦？”成本工程師腦子里產生了一個個疑問。促使她調出沿用的原車身前端中央支撐零部件及環境件的3D數據模型，進行DFMA分析。并根據實際制造、裝配過程，對每個零件的結構、功能、質量、成本等進行詳細研究。結果斷定原設計制造、裝配，都存在很大的問題，具體設計結構如圖1所示，方案描述如下：
?。?）前端中央支撐結構的主要功能是為前格柵及高低音揚聲器提供安裝點，同時具備一定的剛度，來滿足機蓋關閉過程中的沖擊力要求。
?。?）中央支撐總成①有2個，通過1個螺栓⑧及2個螺栓⑦分別和散熱器上橫梁和散熱器下橫梁安裝。
?。?）散熱器罩中上安裝支架②和散熱器罩安裝支架③分別通過兩個M6的螺栓⑨與中央支撐總成①連接。
?。?）高音揚聲器安裝支架④和低音揚聲器安裝支架⑥分別通過1個M8的螺栓⑤與中央支撐總成①連接。
?。?）中央支撐、散熱器罩中上安裝支架、散熱器罩安裝支架及高音/低音揚聲器安裝支架均為金屬材料，較重。
?。?）安裝緊固件繁多。共24個，包括：12個螺栓、6個焊接螺母、2個拉鉚螺母及4個機加工的中央支撐下固定套⑩。
?。?）裝配過程繁瑣：所有的零件均通過安裝圓孔進行自定位，裝配時需手持，無防錯及預定位結構，影響裝配節拍及精度；
?。?）兩個中央支撐總成與散熱器上、下橫梁安裝并隨整車電泳處理后，到總裝線，需要隨上橫梁總成拆除后，進行前機艙零部件安裝，裝配過程繁雜。
?。?）在整車綜合耐久性試驗中，中央支撐出現斷裂的質量問題，如圖2所示。
通過以上分析，原設計在制造和裝配上都過于復雜。這就需要從DFM和DFA兩方面進行設計優化。根據DFMA?最少零部件設計三準則，判斷散熱器罩中上安裝支架、散熱器罩中下安裝支架及高音揚聲器安裝支架、低音揚聲器安裝支架均可以去掉。前格柵總成及高低音揚聲器總成提供安裝點的功能，可以合并到中央支撐結構上實現。通過多件合并的集成化設計，簡化設計結構及裝配過程。同時工程師可以考慮新、老車型并存市場的平臺化需求，優化后的前端中央支撐結構保留原前格柵的安裝點同時根據新格柵的最新造型，進行安裝點位置及結構設計。這樣可以保證新車型前格柵設計結構最優，成本最低。同時，在保證安裝可靠性的前提下，再設計中央支撐與車身的安裝螺栓數量和類型減少。
再設計方案形成后，組織各研發部門專家進行方案評審及風險評估，評審的結果是可行，但需要對前期開裂的質量問題和揚聲器共振問題，進行設計驗證，在專業工程師經過幾輪的數據結構優化及材料選擇后，最終滿足性能指標要求。再設計結構如圖3所示。
再設計具體方案描述如下：
?。?）將6個金屬沖壓件集成為1個塑料注塑件①，同時減少螺栓、螺母4對。
?。?）將與水箱上、下橫梁聯接的螺栓由Q1800616螺栓和Q1800816統一為Q1800625，減少螺栓類型，同時將與水箱下橫梁的安裝點由4個改為2個，以減少安裝點數量。
?。?）再設計零件材料為PP-GF30，以塑代鋼，輕量化效果顯著。
?。?）再設計塑料中央支撐，除了保留原車型前格柵的安裝點外，還根據新車型前格柵造型及重心位置，設計了新格柵的安裝點位置及結構，保證了新車型前格柵安裝的可靠性及安裝點的強度，并實現不同車型之間的平臺化應用。
?。?）徹底解決了原結構方案出現的中央支撐斷裂的質量問題。
再設計方案結構耐久性能分析結構優化后，選擇材料PP-LGF30時，剛度與原設計相當，具體分析結果見表1。
原設計方案的前端中央支撐板與周圍金屬支架，在X、Y、Z方向一階模態最大應力值為132.95MPa，安全系數1.78，再設計方案X、Y、Z方向一階模態最大應力值為17.1MPa，安全系數7.8，滿足強度要求，具體分析結果見表2。
剛度強度性能分析邊界條件的確定，如圖4所示。取白車身前端作為分析模型，斷面全約束，車身與車架連接處全約束；在散熱器上橫梁中部X、Y、Z三個方向分別加載500N。截取部分車身模型，并對斷面約束1~6自由度，對車身斷面中心位置加載1g加速度激勵。剛度和強度分析結果如圖5和圖6所示。
05再設計前后對比
再設計對原設計的裝配進行了改善，主要是去掉了許多螺栓緊固件、將螺栓螺母型號進行統一，所有金屬安裝支架合為一體，并設計了安裝導向自定位結構，便于裝配，避免了原設計無防錯結構的安裝問題。通過原設計和再設計的結果分析，可以看出獨立零件數由原來的30個減少到10個，減少了20個零件，與此同時，裝配效率提高了70%，縮短了零部件裝配尺寸鏈，提高裝配精度，提高產品質量，具體對比結果如圖7所示。
06結論及心得
DFMA?推翻了傳統設計流程中“我設計”、“你制造”之間的藩籬，將市場、性能、專業、造型、質量、工藝、供應商、采購及成本等各種技術要求相結合。并在產品開發過程中并行考慮，設計出滿足消費者需求的“結構最簡單”的產品。產品工程師應用DFMA?技術進行產品設計過程中，分析整個零件的制造過程和裝配過程，從材料、人工、設備和質量四方面判斷每一步操作的成本，來衡量每一個設計要素的必要性與最優性。通過這種“基于成本考慮的設計”方式，逐漸改變了研發工程師一貫的“重功能、輕成本”的設計思維，提高了北汽研發工程師的設計成本意識，從設計源頭上，將影響產品生命周期約80%的成本控制到最優，通過精益設計，實現真正的精益生產。
