車身焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法

1、簡(jiǎn)介

點(diǎn)焊是汽車鈑金件連接的主要方式之一，以其操作簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。汽車車身作為焊接結(jié)構(gòu)，焊點(diǎn)的數(shù)量和布局對(duì)車身結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，同時(shí)焊點(diǎn)數(shù)量也影響生產(chǎn)節(jié)拍和制造成本；傳統(tǒng)的焊點(diǎn)布置往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，部分區(qū)域的焊點(diǎn)數(shù)量過(guò)少，影響車身結(jié)構(gòu)性能，部分區(qū)域的焊點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，增加制造成本及焊接時(shí)間。

本文將介紹一下車身焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法，旨在通過(guò)優(yōu)化技術(shù)對(duì)車身焊點(diǎn)進(jìn)行重新布置，通過(guò)焊點(diǎn)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(diǎn)布置優(yōu)化方法

傳統(tǒng)的焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法一般都是基于變密度法的拓?fù)鋬?yōu)化，變密度法是一種常用的拓?fù)鋬?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(duì)密度和材料彈性模量之間對(duì)應(yīng)一定關(guān)系，然后以單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果之后再進(jìn)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(rèn)為單元存在，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化。

拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

其中Xj為設(shè)計(jì)優(yōu)化變量，n為設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，f(Xj)為目標(biāo)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(gè)數(shù)。

焊點(diǎn)布置優(yōu)化過(guò)程中，一般以各工況下的加權(quán)應(yīng)變能最小作為目標(biāo)，并將車身各結(jié)構(gòu)性能作為優(yōu)化約束，為確保焊點(diǎn)數(shù)量合理，另外可以將焊點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為優(yōu)化約束，對(duì)于不同區(qū)域的焊點(diǎn)針對(duì)實(shí)際布置需求設(shè)置不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約束。

優(yōu)化結(jié)果通過(guò)焊點(diǎn)密度值來(lái)呈現(xiàn)，通過(guò)密度值可判定各焊點(diǎn)的重要性并重新進(jìn)行焊點(diǎn)布置。

傳統(tǒng)的焊點(diǎn)布置拓?fù)鋬?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(wú)法涉及到非線性范疇的性能，如碰撞性能。在焊點(diǎn)布置優(yōu)化時(shí)只考慮單一性能是往往不夠的，為了解決這一問題，接下來(lái)本文會(huì)繼續(xù)介紹一種能夠覆蓋非線性范疇性能的焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法。

3、 非線性焊點(diǎn)布置拓?fù)鋬?yōu)化方法

耐撞性作為車身的一大重要性能，在做焊點(diǎn)布置優(yōu)化時(shí)，是不能忽視的，否則在焊點(diǎn)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(wú)法覆蓋這一非線性性能，本文對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行一定擴(kuò)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(gè)時(shí)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(gè)載荷步對(duì)應(yīng)優(yōu)化模型中的一個(gè)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(biāo)。

優(yōu)化設(shè)置時(shí)，增加各時(shí)刻的侵入量這一優(yōu)化約束，優(yōu)化空間、優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置可以與傳統(tǒng)優(yōu)化方法一樣，優(yōu)化過(guò)程中通過(guò)仿真軟件進(jìn)行耐撞性分析，讀取相關(guān)區(qū)域的位移場(chǎng)，通過(guò)優(yōu)化軟件自動(dòng)將位移場(chǎng)轉(zhuǎn)化成等效靜態(tài)載荷，并加載到優(yōu)化模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，反復(fù)迭代，直至收斂，整個(gè)優(yōu)化過(guò)程無(wú)需人為干涉，優(yōu)化軟件與仿真軟件會(huì)自動(dòng)傳遞數(shù)據(jù)。

本文采用該方法對(duì)某一車型進(jìn)行了焊點(diǎn)布置優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)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(jìn)一步驗(yàn)證耐久、碰撞等性能，均滿足要求。

4、 結(jié)論

本文介紹的焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法已經(jīng)在實(shí)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(diǎn)布置優(yōu)化方法，建模及計(jì)算時(shí)間短，但是性能覆蓋不全面，有一定局限性，非線性焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步覆蓋碰撞性能，但是計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，在項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中可以針對(duì)實(shí)際情況選擇相應(yīng)優(yōu)化方法對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行布置。