焊接

車身焊點布置優化方法

轉載 :  zhongte88183.cn   2018年10月16日

  1、簡介

  點焊是汽車钣金件連接的主要方式之一,以其操作簡單、易實現機械自動化的優點而被廣泛應用。汽車車身作為焊接結構,焊點的數量和布局對車身結構性能具有重要影響,同時焊點數量也影響生産節拍和制造成本;傳統的焊點布置往往依據經驗進行設計,部分區域的焊點數量過少,影響車身結構性能,部分區域的焊點數量過多,增加制造成本及焊接時間。

  

  本文将介紹一下車身焊點布置優化方法,旨在通過優化技術對車身焊點進行重新布置,通過焊點布置優化使結構更加高效,提升車身結構性能。

  2、傳統焊點布置優化方法

  傳統的焊點布置優化方法一般都是基于變密度法的拓撲優化,變密度法是一種常用的拓撲優化方法,該方法基于各向同性材料,首先人為假定單元的相對密度和材料彈性模量之間對應一定關系,然後以單元的相對密度為設計變量進行計算,得到結果之後再進行轉換。若密度為0,則彈性模量為0,可視為單元不存在;若密度為1,則認為單元存在,從而實現結構的拓撲優化。

  拓撲優化數學模型如下:

  

  其中Xj為設計優化變量,n為設計變量的個數,f(Xj)為目标函數;

  

  分别為約束函數及其上下限值,m為約束函數的個數。

  焊點布置優化過程中,一般以各工況下的加權應變能最小作為目标,并将車身各結構性能作為優化約束,為确保焊點數量合理,另外可以将焊點質量分數作為優化約束,對于不同區域的焊點針對實際布置需求設置不同的質量分數約束。

  

  優化結果通過焊點密度值來呈現,通過密度值可判定各焊點的重要性并重新進行焊點布置。

  

  傳統的焊點布置拓撲優化方法具有一定的局限性,主要涉及一些線性範疇的性能,如剛度、模态等,無法涉及到非線性範疇的性能,如碰撞性能。在焊點布置優化時隻考慮單一性能是往往不夠的,為了解決這一問題,接下來本文會繼續介紹一種能夠覆蓋非線性範疇性能的焊點布置優化方法。

  3、 非線性焊點布置拓撲優化方法

  耐撞性作為車身的一大重要性能,在做焊點布置優化時,是不能忽視的,否則在焊點重新布置後可能導緻耐撞性能降低。由于傳統的優化方法無法覆蓋這一非線性性能,本文對傳統方法進行一定擴展,具體方法如下:

  首先基于等效靜态載荷理論,将非線性分析中的每個時間步(Time step)的響應結果轉化成等效載荷加載到線性優化模型中,每個載荷步對應優化模型中的一個工況(Load case),如下圖所示。此工況的響應可作為優化中的約束或目标。

  

  優化設置時,增加各時刻的侵入量這一優化約束,優化空間、優化目标設置可以與傳統優化方法一樣,優化過程中通過仿真軟件進行耐撞性分析,讀取相關區域的位移場,通過優化軟件自動将位移場轉化成等效靜态載荷,并加載到優化模型進行拓撲優化,反複疊代,直至收斂,整個優化過程無需人為幹涉,優化軟件與仿真軟件會自動傳遞數據。

  

  本文采用該方法對某一車型進行了焊點布置優化,根據優化結果對焊點進行重新布置後,白車身剛度和模态、局部剛度與優化前均有提升,進一步驗證耐久、碰撞等性能,均滿足要求。

  4、 結論

  本文介紹的焊點布置優化方法已經在實際車型開發中得到應用,兩種方法各有千秋,傳統焊點布置優化方法,建模及計算時間短,但是性能覆蓋不全面,有一定局限性,非線性焊點布置優化方法在傳統方法的基礎上可以進一步覆蓋碰撞性能,但是計算時間較長,在項目開發過程中可以針對實際情況選擇相應優化方法對焊點進行布置。

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