專利名稱：一種拼焊板車門的優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拼焊板車門的優(yōu)化設(shè)計方法，尤其涉及一種基于雙向漸進拓撲優(yōu)化方法的拼焊板車門的焊縫線的布置，即拼焊方案的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上采用尺寸優(yōu)化方法進一步確定每一拼的拼焊板板料的具體厚度值。
背景技術(shù)：
近年來，世界汽車保有量與日俱增，更大程度上的影響和改變著人們的工作和生活方式，然而，汽車工業(yè)也面臨著能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題，節(jié)約能源、減少環(huán)境污 染成為汽車工業(yè)亟待解決的兩大核心問題。據(jù)統(tǒng)計，汽車每減重10%，油耗可降低6%-8%。因此，節(jié)能、減重、降低排放和提高安全性已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的重要發(fā)展方向。汽車輕量化成為21世紀汽車技術(shù)的前沿和熱點。圍繞車身輕量化，國際鋼鐵協(xié)會成立了有18個國家35家鋼鐵公司組成的“超輕鋼汽車車身”(ULSAB，UltraLight Steel Auto Body)項目組。項目的主要目標是減少車身質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)強度、提高安全性、簡化制造工藝及降低生產(chǎn)成本。汽車輕量化有兩大途徑，一是結(jié)構(gòu)輕量化，即通過改進汽車結(jié)構(gòu)，使部件薄壁化、中空化及復(fù)合化；二是材料輕量化，即通過采用輕量化材料包括金屬材料和非金屬材料。近幾年發(fā)展起來的拼焊板技術(shù)(Tailor-welded Blank,簡稱TWB)既可以做到零件的復(fù)合化，減少零件數(shù)量，又可以采用高性能材料對零件進行局部加強，可以說是兩種輕量化方法的集大成者，具有非常好的應(yīng)用前景，因而在汽車工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。拼焊板技術(shù)是近年來在汽車工業(yè)出現(xiàn)的一項新技術(shù)，它是先將兩塊或兩塊以上具有相同或不同機械性能、不同表面狀態(tài)的鋼板使用激光焊接的方法使之成為毛坯件，然后進行整理沖壓成轎車結(jié)構(gòu)件。這些板料可以是具有不同的厚度、強度或涂層的材料，合理利用不同厚度、不同材料的拼焊板有利于降低車重，降低油耗，達到了在滿足強度和剛度條件的基礎(chǔ)上減輕汽車重量和改善碰撞性能的目的。有關(guān)拼焊板成形技術(shù)方面的研究已經(jīng)引起了國內(nèi)外各大汽車公司以及鋼鐵企業(yè)的重視，取得了一些研究進展，突破了拼焊板在制造技術(shù)方面的一些瓶頸，有力的促進了拼焊板技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計上的推廣應(yīng)用。幾乎絕大多數(shù)關(guān)于拼焊板的研究主要集中的拼焊板的沖壓成形技術(shù)上，諸如材料力學(xué)性能、變形特點和成形極限等在沖壓成形工藝設(shè)計中需要解決的問題，只是在最近幾年，才有部分學(xué)者對拼焊板零件的設(shè)計進行了研究。然而，相關(guān)的研究成果還不足以指導(dǎo)拼焊板零件的設(shè)計，大大制約了拼焊板技術(shù)的推廣與應(yīng)用。特別是對于焊縫線最優(yōu)位置的確定還沒有一套行之有效的方法。傳統(tǒng)方法在進行拼焊板車門設(shè)計時，主要是根據(jù)經(jīng)驗確定焊縫線的位置的布置，即拼焊方案的確定；拼焊方案值確定后，采用試錯法不斷更換每一拼的拼焊板的材料和厚度，直到滿足拼焊板車門的各項性能要求，整個設(shè)計過程的耗時長，費用高。并且，傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的拼焊板車門的各項性能指標(如碰撞安全性、下垂剛度和上扭剛度等)很難同時達到最優(yōu)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種拼焊板車門焊縫布置與拼焊板板料厚度的優(yōu)化設(shè)計方法。該方法首先采用雙向漸進拓撲優(yōu)化方法確定拼焊板車門的焊縫線的布置，即拼焊方案的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上采用尺寸優(yōu)化方法進一步確定每一拼的拼焊板板料的具體厚度值。該方法能找出拼焊板車門內(nèi)板的最佳材料分布方式，最大限度的提高拼焊板車門的綜合性能。采用該方法后，大大降低了拼焊板車門的設(shè)計周期，節(jié)省了設(shè)計費用。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，采用雙向漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法設(shè)計拼焊板車門的拼焊方案，然后對組成拼焊板車門的每一塊拼焊板進行優(yōu)化，包括以下步驟(I)車門剛度工況有限元模型的建立車門的靜態(tài)剛度是汽車車門在承受靜載荷時抵抗變形的能力，按照承受靜載荷的方式，車門的剛度一般分為車門下垂剛度、車門門框剛度、車門腰線彎曲剛度、車門扭轉(zhuǎn)剛度和車門表面剛度等，在車門內(nèi)板采用拼焊板技術(shù)進行制造后，在減輕重量的同時分析車門的剛度是否滿足要求，對保證車輛的各方面性能具有重要的意義。本發(fā)明主要考慮車門剛度中對車身整體剛度影響最大的和最主要的三個剛度指標來進行拼焊板零件設(shè)計，分別 是下垂剛度、上扭轉(zhuǎn)剛度和下扭轉(zhuǎn)剛度。本發(fā)明采用商業(yè)軟件u G建立車門系統(tǒng)的三維幾何模型，然后將三維幾何模型導(dǎo)入到商業(yè)軟件HyperMesh中畫分有限元網(wǎng)格，給每個部件指定相應(yīng)的材料模型并對材料模型的參數(shù)賦值，用焊點單元將各個部件連接起來形成車門模型，如圖2所示。圖2所示的車門包含的空間即為拼焊板車門拓撲優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計空間，然后在HyperMesh中建立車門的下垂剛度、上扭轉(zhuǎn)剛度和下扭轉(zhuǎn)剛度的有限元模型，如圖3所示。(2)拼焊板車門多目標拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型本發(fā)明以車門剛度最大化為目標函數(shù)，但車門有多種剛度，每種剛度對應(yīng)一種工況，不同工況下對應(yīng)有不同剛度最優(yōu)的拓撲解，多個工況下的剛度拓撲優(yōu)化問題通常稱作多剛度拓撲優(yōu)化問題。對此，本發(fā)明采用線性加權(quán)法將多目標問題轉(zhuǎn)化為單目標問題，該方法的一般原理是給每個目標函數(shù)分配權(quán)重并將目標函數(shù)和權(quán)重組合為單一目標。在采用線性加權(quán)法將多目標問題轉(zhuǎn)換成單目標后，再將車門剛度最大化問題等效為其柔度最小問題。本發(fā)明采用一種基于結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)化的雙向漸進結(jié)構(gòu)(BESO)拓撲優(yōu)化方法，該算法能夠很好地解決拓撲優(yōu)化中的棋盤格效應(yīng)、網(wǎng)格依賴性和結(jié)果難收斂等難題，同時計算效率也有較大程度的提高。考慮n種材料(E1，E2，…，En ;且E1>E2>…〉En)的拓撲優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)模型如下式所示
權(quán)利要求
1.一種拼焊板車門焊縫布置與拼焊板板料厚度的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于 首先采用雙向漸進拓撲優(yōu)化方法確定拼焊板車門的焊縫線的布置，即拼焊方案的設(shè)計； 在焊縫線具體位置確定后，即拼焊方案確定后，車門內(nèi)板被焊縫線劃分成了幾個區(qū)域，每個區(qū)域代表一種不同厚度的拼焊板，運用靈敏性分析方法與尺寸優(yōu)化方法，建立基于不同工況響應(yīng)下的車門系統(tǒng)輕量化優(yōu)化模型，進行優(yōu)化計算，確定組成車門內(nèi)板的每一拼的拼焊板的具體厚度。
2.如權(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其中，采用雙向漸進拓撲優(yōu)化方法確定拼焊板車門的焊縫線的布置包括如下步驟 (1)通過前處理器設(shè)置輸入模型文件、求解器路徑和設(shè)定優(yōu)化參數(shù)； (2)讀入當前模型文件，讀取當前有限元分析模型的單元數(shù)量和相關(guān)文件； (3)計算拼焊板零件材料構(gòu)成情況； (4)計算本迭代步材料變換率； (5)進行有限元分析，計算和獲得當前參與拓撲優(yōu)化的兩種材料單元靈敏度數(shù)值； (6)通過改進型雙向漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法重構(gòu)拼焊板零件； (7)判斷是否滿足本循環(huán)體積約束，如果滿足則進入步驟(8);如果不滿足，則返回步驟(2)； (8)判斷結(jié)果是否收斂，如果收斂，則進入步驟(9);如果不收斂，則返回步驟(2)； (9)判斷是否完成所有材料拓撲工作，如果已完成，則優(yōu)化結(jié)束；如果未完成，則進行下一種材料的拓撲優(yōu)化工作，然后返回步驟(2)。
3.如權(quán)利要求2所述的優(yōu)化設(shè)計方法，其中，步驟(6)還包括 Ca)根據(jù)單元靈敏度數(shù)值計算節(jié)點的靈敏度數(shù)值； (b)利用過濾器，得到新的單元靈敏度數(shù)值； (c)平均過濾后單元的靈敏度，并根據(jù)靈敏度值對單元進行歸類； Cd)計算下一次設(shè)計的體積目標； (e )構(gòu)建一個新的設(shè)計，并進行有限元分析和輸出結(jié)果。
4.如權(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟 (1)車門剛度工況有限元模型的建立； (2)建立拼焊板車門多目標拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型； (3)基于多剛度和多材料的車門拼焊板的焊縫的確定； > (4)車門系統(tǒng)的尺寸優(yōu)化。
5.如權(quán)利要求4所述的優(yōu)化設(shè)計方法，在步驟(I)中，考慮三個剛度指標進行拼焊板零件設(shè)計，所述三個剛度指標分別是下垂剛度、上扭轉(zhuǎn)剛度和下扭轉(zhuǎn)剛度。
6.如權(quán)利要求4所述的優(yōu)化設(shè)計方法，在步驟(2)中，采用求解拼焊板車門焊縫位置的多剛度BESO拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型
7.如權(quán)利要求6所述的優(yōu)化設(shè)計方法,其中，Xmin= 0. 0001。
8.如權(quán)利要求4所述的優(yōu)化設(shè)計方法，在步驟(4)中，所述尺寸優(yōu)化是一種細節(jié)優(yōu)化設(shè)計方法，它通過改變結(jié)構(gòu)的單元屬性以達到一定的設(shè)計要求；所述單元屬性包括殼單元厚度、梁單元橫截面積、彈簧單元剛度和質(zhì)量單元質(zhì)量，所述設(shè)計要求包括應(yīng)力、質(zhì)量、位移。
9.如權(quán)利要求I所述的優(yōu)化設(shè)計方法，還引進了單元過濾器，在使用過濾器之前，要把那些沒有加載邊界條件的節(jié)點的靈敏度計算出來，在進行了有限元分析后經(jīng)計算獲得單元的靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種拼焊板車門的優(yōu)化設(shè)計方法，用于合理設(shè)計拼焊板車門以減少零件的數(shù)量、降低車門的重量、提高車門的剛度和車輛的碰撞安全性。首先采用雙向漸進拓撲優(yōu)化方法確定拼焊板車門的焊縫線的布置，即拼焊方案的設(shè)計；在焊縫線具體位置確定后，即拼焊方案確定后，車門內(nèi)板被焊縫線劃分成了幾個區(qū)域，每個區(qū)域代表一種不同厚度的拼焊板，運用靈敏性分析方法與尺寸優(yōu)化方法，建立基于不同工況響應(yīng)下的車門系統(tǒng)輕量化優(yōu)化模型，進行優(yōu)化計算，確定組成車門內(nèi)板的每一拼的拼焊板的具體厚度。
文檔編號G06F17/50GK102799704SQ20121015839
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月21日
發(fā)明者孫光永, 李光耀, 龔志輝, 徐峰祥, 陳剛強 申請人:湖南大學(xué)