車身焊點布置優(yōu)化方法

1、簡介

點焊是汽車鈑金件連接的主要方式之一，以其操作簡單、易實現(xiàn)機械自動化的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。汽車車身作為焊接結(jié)構(gòu)，焊點的數(shù)量和布局對車身結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，同時焊點數(shù)量也影響生產(chǎn)節(jié)拍和制造成本；傳統(tǒng)的焊點布置往往依據(jù)經(jīng)驗進行設(shè)計，部分區(qū)域的焊點數(shù)量過少，影響車身結(jié)構(gòu)性能，部分區(qū)域的焊點數(shù)量過多，增加制造成本及焊接時間。

本文將介紹一下車身焊點布置優(yōu)化方法，旨在通過優(yōu)化技術(shù)對車身焊點進行重新布置，通過焊點布置優(yōu)化使結(jié)構(gòu)更加高效，提升車身結(jié)構(gòu)性能。

2、傳統(tǒng)焊點布置優(yōu)化方法

傳統(tǒng)的焊點布置優(yōu)化方法一般都是基于變密度法的拓撲優(yōu)化，變密度法是一種常用的拓撲優(yōu)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(yīng)一定關(guān)系，然后以單元的相對密度為設(shè)計變量進行計算，得到結(jié)果之后再進行轉(zhuǎn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化。

拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

其中Xj為設(shè)計優(yōu)化變量，n為設(shè)計變量的個數(shù)，f(Xj)為目標函數(shù);

分別為約束函數(shù)及其上下限值，m為約束函數(shù)的個數(shù)。

焊點布置優(yōu)化過程中，一般以各工況下的加權(quán)應(yīng)變能最小作為目標，并將車身各結(jié)構(gòu)性能作為優(yōu)化約束，為確保焊點數(shù)量合理，另外可以將焊點質(zhì)量分數(shù)作為優(yōu)化約束，對于不同區(qū)域的焊點針對實際布置需求設(shè)置不同的質(zhì)量分數(shù)約束。

優(yōu)化結(jié)果通過焊點密度值來呈現(xiàn)，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(tǒng)的焊點布置拓撲優(yōu)化方法具有一定的局限性，主要涉及一些線性范疇的性能，如剛度、模態(tài)等，無法涉及到非線性范疇的性能，如碰撞性能。在焊點布置優(yōu)化時只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(xù)介紹一種能夠覆蓋非線性范疇性能的焊點布置優(yōu)化方法。

3、 非線性焊點布置拓撲優(yōu)化方法

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

首先基于等效靜態(tài)載荷理論，將非線性分析中的每個時間步(Time step)的響應(yīng)結(jié)果轉(zhuǎn)化成等效載荷加載到線性優(yōu)化模型中，每個載荷步對應(yīng)優(yōu)化模型中的一個工況（Load case），如下圖所示。此工況的響應(yīng)可作為優(yōu)化中的約束或目標。

優(yōu)化設(shè)置時，增加各時刻的侵入量這一優(yōu)化約束，優(yōu)化空間、優(yōu)化目標設(shè)置可以與傳統(tǒng)優(yōu)化方法一樣，優(yōu)化過程中通過仿真軟件進行耐撞性分析，讀取相關(guān)區(qū)域的位移場，通過優(yōu)化軟件自動將位移場轉(zhuǎn)化成等效靜態(tài)載荷，并加載到優(yōu)化模型進行拓撲優(yōu)化，反復(fù)迭代，直至收斂，整個優(yōu)化過程無需人為干涉，優(yōu)化軟件與仿真軟件會自動傳遞數(shù)據(jù)。

本文采用該方法對某一車型進行了焊點布置優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對焊點進行重新布置后，白車身剛度和模態(tài)、局部剛度與優(yōu)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(jié)論

本文介紹的焊點布置優(yōu)化方法已經(jīng)在實際車型開發(fā)中得到應(yīng)用，兩種方法各有千秋，傳統(tǒng)焊點布置優(yōu)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(yōu)化方法在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)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(fā)過程中可以針對實際情況選擇相應(yīng)優(yōu)化方法對焊點進行布置。