CN108563861B - 汽车结构关键焊缝识别方法、系统、装置及汽车生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车制造技术领域，提出了汽车结构关键焊缝识别方法、系统、装置及汽车生产工艺，包括一种汽车结构关键焊缝识别方法，其中步骤一：建立汽车结构件的有限元模型，并建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型，步骤二：建立设计变量并与焊缝的厚度关联，并建立设计响应并与焊缝的结构性能指标关联，并进行设计变量和设计响应的灵敏度分析，得到每条焊缝的灵敏度，步骤三：对焊缝灵敏度进行排序并选出关键焊缝，通过上述技术方案，解决了现有技术中在汽车生产过程中对全部焊缝进行管控排查整改耗费大量人力物力的技术问题。

Description

汽车结构关键焊缝识别方法、系统、装置及汽车生产工艺

技术领域

本发明属于汽车制造技术领域，涉及汽车结构关键焊缝识别方法、系统、装置及汽车生产工艺。

背景技术

焊缝连接是汽车结构件常见的连接方式之一。焊缝的质量对于汽车零部件的结构性能有重要影响。汽车零部件制造过程中，普遍存在焊缝质量未达设计状态的现象，从而导致零部件的刚度、模态和强度等指标明显低于设计指标。

对汽车结构件的全部焊缝进行详细管控、排查和整改，能够保证焊缝质量，但这种做法需要耗费大量的人力和时间，无法在实际制造过程中实施。所以需要开发一种有效的手段，在设计阶段即确定出关键焊缝，然后在汽车制造过程中对关键焊缝进行重点管控。

发明内容

本发明提出汽车结构关键焊缝识别方法、系统、装置及汽车生产工艺，解决了上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种汽车结构关键焊缝识别方法，

步骤一：建立汽车结构件的有限元模型，并建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型，

步骤二：建立设计变量并与焊缝的厚度关联，并建立设计响应并与焊缝的结构性能指标关联，并进行设计变量和设计响应的灵敏度分析，得到每条焊缝的灵敏度，

步骤三：对焊缝灵敏度进行排序并选出关键焊缝。

作为进一步的技术方案，在建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型时，对焊缝采用壳单元模拟。

作为进一步的技术方案，在步骤二中，建立设计变量初始值设置为焊缝单元的初始厚度，焊缝的结构性能指标包括结构变形量、最高应力、刚度、模态频率。

作为进一步的技术方案，进行灵敏度分析时，需建立指定优化目标函数并确定最优化目标灵敏度，灵敏度为每条焊缝厚度分别增加单位值，所引起的设计响应改变量，

作为进一步的技术方案，最优化目标灵敏度为结构性能指标-质量比灵敏度，优化目标函数为：

最优化目标灵敏度＝结构性能指标灵敏度/质量灵敏度。

作为进一步的技术方案，在建立汽车结构件的有限元模型中，需建立有限元网格，并对有限元网格精细化处理，为有限元模型中的汽车结构件各部件赋正确的材料参数和厚度。

作为进一步的技术方案，对焊缝采用壳单元模拟，将每条焊缝作为独立组件，并为每条焊缝赋材料和厚度，材料为焊缝所连接的汽车零部件中屈服强度低的材料，厚度为焊缝所连接的汽车零部件中薄的材料。

作为进一步的技术方案，在步骤三中，选出焊缝灵敏度排列中前1/5-1/3的焊缝作为关键焊缝。

一种汽车结构关键焊缝识别系统，用于实施所述汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，所述汽车结构关键焊缝识别系统包括：

模型设计模块，模型数据模块，运算模块，排列模块，

模型设计模块，用于建立汽车结构件的有限元模型和焊缝连接模型，

模型数据模块，用于记录汽车结构件和焊缝的材料和厚度，并记录设计变量和设计响应，

运算模块，用于计算每个设计响应的灵敏度，并计算焊缝的灵敏度，

排列模块，用于对设计响应和\或最优化目标的灵敏度进行排列。

一种汽车结构关键焊缝识别装置，其特征在于，包括：

输入装置：用于输入信息建立汽车结构件的有限元模型和焊缝连接模型并赋值，

储存器：用于储存程序，

处理器：用于通过执行所述储存器储存的程序以实现所述汽车结构关键焊缝识别方法。

一种汽车生产工艺，其特征在于，应用所述汽车结构关键焊缝识别方法后，选出关键焊缝，并使用焊缝检测装置对若干关键焊缝进行检测，并管控关键焊缝的焊接质量。

本发明的有益效果为：

本发明旨在提供一种基于有限元和灵敏度分析的方法，在汽车设计阶段，即可利用数值仿真手段识别最影响结构性能的关键焊缝。在后续的生产中可重点对关键焊缝进行重点管控，从而保证零部件结构性能的一致性，进而大大降低了人工成本，同时由于关键焊缝被重点管控，提高了汽车零部件的可靠性。

本发明通过改变焊缝厚度的变化，所引起的焊缝结构性能指标变化，并对结构性能指标变化量进行排序最终得出汽车零部件的关键焊缝，其中将焊缝多个性能指标变化进行对比，提高了寻找关键焊缝的准确性，提高了本发明的可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1中方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中在hypermesh对汽车零部件进行有限元模拟示意图；

图3为本发明实施例3中识别系统的一个具体事例的示意图；

图4为本发明实施例4中识别装置的一个具体事例的示意图；

图5为本发明实施例5中导管的结构示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图2所示，

实施例1：

一种汽车结构件关键焊缝识别方法，包括的步骤有：

S1：建立汽车结构件的有限元模型。

S2：采用壳单元模拟焊缝连接。

S3：建立设计变量并与焊缝的厚度关联。

S4：建立设计响应并与焊缝的结构性能指标关联。

S5：进行灵敏度分析。

S6：得到各条焊缝的厚度灵敏度。

S7：对焊缝厚度灵敏度数值进行排序，选出关键焊缝。

在S1中，建立汽车结构件的有限元模型。要求不仅要建立有限元网格，还要根据设计状态为有限元模型中各部件赋正确的材料参数和厚度；为保证仿真精度，焊缝连接部位要进行网格细化处理。

在S2中，采用壳单元模拟焊缝连接。需将每条焊缝作为一个独立组件，为每条焊缝组件建立并赋以一独立的特性。特性中包括焊缝单元的材料和厚度，其中材料设置为所连接的两个钣金件中屈服极限较低的材料，厚度设置为所连接的两个钣金件中较薄的料厚。

由于本发明仅对每条焊缝进行灵敏度分析并进行横向对比，仅需采用较为简单的壳单元模拟就能满足本发明中建立有限元模型的需求，减轻了人员的工作量。

在S3中，建立设计变量并与焊缝的厚度关联。要求为每条焊缝分别建立一设计变量，该设计变量与焊缝的厚度属性相关联。设计变量的初始值设置为焊缝单元当前厚度。

在S4中，建立设计响应并与量化的结构性能指标关联。首先建立设计响应，然后将设计响应与焊缝的结构性能指标关联，可选择结构的总质量、结构变形量、最高应力、模态等。可设置多个设计响应。

在S5中，进行灵敏度分析。要求完成载荷、约束等工况设置；并建立一个最优化目标灵敏度，并指定优化目标函数和优化约束等；然后利用灵敏度分析软件进行分析。

在S6中，得到各条焊缝的厚度灵敏度。焊缝的厚度灵敏度指的是每条焊缝厚度分别增加单位值，所引起的设计响应改变量。

在S7中，对焊缝厚度灵敏度数值进行排序，选出关键焊缝。从分析结果中提取出各条焊缝的灵敏度数值后，排序选出灵敏度靠前的焊缝作为关键焊缝，在后续实际制造过程中，将对这些关键焊缝进行重点管控。通常可选出全部焊缝的1/5-1/3作为关键焊缝。

下面简要介绍本发明实施例提供的监控系统的一个典型应用场景：

在接下来的实例性描述中，本发明的实施例将用才用有限元前处理软件hypermesh和灵敏度分析软件optistruct，对一汽车转向管柱系统进行关键焊缝识别，但本发明所提供的汽车结构件关键焊缝识别方法同样适用于其它软件和其它汽车零部件。

首先，在hypermesh中建立汽车转向管柱有限元模型。转向管柱主要用四边形壳单元模拟，焊缝连接部位应进行网格细化处理。根据设计状态，为转向管柱各部件赋材料参数和厚度。

在hypermesh中，用壳单元模拟焊缝，连接对应的钣金件。需为每条焊缝作为一个组件，为该组件建立并赋以一个特性。该特性中包括焊缝单元的材料和厚度，焊缝材料为所连接的两个钣金件中屈服强度较低的材料，焊缝厚度设置为所连接的两个钣金件中较薄的料厚。

在hypermesh中，为每条焊缝分别建立一设计变量，该设计变量与焊缝的厚度属性相关联。设计变量的初始值设置为焊缝单元当前厚度，上限设置为当前厚度的二倍，下限设置为当前厚度的一半。

在hypermesh中建立设计响应。对转向管柱而言，其模态通常是最受关注的结构指标，所以将第一阶模态频率作为设计响应。将转向管柱总质量作为另一设计响应。

在hypermesh中导出.fem格式的文件，提交optistruct，进行灵敏度分析。计算出每个设计变量的灵敏度，即每条焊缝料厚分别增加单位值，所对应的第一阶模态频率的改变量。

从optistruct的计算结果中提取出各条焊缝的设计变量编号和对应的灵敏度数值，导入excel进行排序。

选出排在前5位的敏感焊缝，作为关键焊缝，记录其位置。在后续的制造过程中将对这五条关键焊缝进行重点管控，确保其质量和长度达到设计状态。

实施例2：

一种汽车结构关键焊缝识别方法，

步骤一：建立汽车结构件的有限元模型，并建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型，

步骤二：建立设计变量并与焊缝的厚度关联，并建立设计响应并与焊缝的结构性能指标关联，并进行设计变量和设计响应的灵敏度分析，得到每条焊缝的灵敏度，

步骤三：对焊缝灵敏度进行排序并选出关键焊缝。

进一步，在建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型时，对焊缝采用壳单元模拟。

进一步，在步骤二中，建立设计变量初始值设置为焊缝单元的初始厚度，焊缝的结构性能指标包括总质量、结构变形量、最高应力、刚度、模态频率。

进一步，进行灵敏度分析时，需建立指定优化目标函数并确定最优化目标灵敏度，灵敏度为每条焊缝厚度分别增加单位值，所引起的设计响应改变量，

进一步，最优化目标灵敏度为模态频率-质量比灵敏度，优化目标函数为：最优化目标灵敏度＝模态频率灵敏度/质量灵敏度。

下面简要介绍本发明实施例提供的监控系统的一个典型应用场景：

本实施例中，灵敏度就是结构响应量对各设计变量的导数

对焊缝厚度进行灵敏度分析就是确定设计响应对焊缝单元厚度变化的灵敏度。

焊缝厚度灵敏度分析，设计变量就是焊缝单元厚度，结构响应主要包括焊缝的总质量，模态频率和刚度等。

通过有限元计算可以给出质量灵敏度、模态频率灵敏度和刚度灵敏度等。

如对于转向管柱，需要关注的是焊缝对于转向管柱模态的影响。那么可以算出每条焊缝的模态频率灵敏度，即每条焊缝增加1mm厚度，模态频率的增加量。

如果有两条焊缝计算出灵敏度，一条长1米，增加1mm，模态频率增加1Hz

一条长0.05米，增加1mm厚度后，模态频率增加0.5Hz。如果单从模态频率灵敏度进行分析，结果为长的焊缝更关键。但实际上短的焊缝仅有5cm长就能造成0.5Hz的影响，所以实际上短的焊缝更为关键。

如果将最优化目标灵敏度定为模态频率-质量比灵敏度，并将优化目标函数为：最优化目标灵敏度＝模态频率灵敏度/质量灵敏度。

长的焊缝增加1mm模态频率增加1Hz，焊缝质量增加100克。

则模态频率灵敏度为1Hz/mm，质量灵敏度为100克/mm，两者相除，就得到最优化目标灵敏度为0.01Hz/克。

短的焊缝增加1mm模态频率增加0.5Hz，焊缝质量增加5克。

则模态频率灵敏度为0.5Hz/mm，质量灵敏度为5克/mm，两者相除，就得到最优化目标灵敏度为0.1Hz/克。

短的焊缝的最优化目标灵敏度更大，所以短焊缝更为关键，符合实际。

在该实施例中，转向管柱结构中有很多焊缝，考虑到工艺节拍和成本，无法保证所有的焊缝都完美。所以通过灵敏度分析，筛选出4-5条关键焊缝，在生产中格外关注，严格保证关键焊缝的焊接质量。对于其他焊缝，要求可以稍微放松。

实施例3：

如图3所示，一种汽车结构关键焊缝识别系统包括模型设计模块1，模型数据模块2，运算模块3，排列模块4，其中模型设计模块1，用于建立汽车结构件的有限元模型和焊缝连接模型，模型数据模块2，用于记录汽车结构件和焊缝的材料和厚度，并记录设计变量和设计响应，运算模块3，用于计算每个设计响应的灵敏度，并计算焊缝的灵敏度，排列模块4，用于对设计响应和\或最优化目标的灵敏度进行排列。

在一具体实施方式中，模型设计模块1可用于实现本发明实施例1中步骤S1～步骤S2对应的功能，模型数据模块2可用于实现本发明实施例1中步骤S3～步骤S4对应的功能，运算模块3可用于实现本发明实施例1中步骤S5所对应的功能，排列模块4可用于实现本发明实施例6中步骤S6和步骤S7所对应的功能。

实施例4：

如图4所示，一种汽车结构关键焊缝识别装置，包括：

输入装置5：用于输入信息建立汽车结构件的有限元模型和焊缝连接模型并赋值，

储存器6：用于储存程序，

处理器7：用于通过执行所述储存器储存的程序以实现如权利要求1～8中任一项所述的汽车结构关键焊缝识别方法。

实施例5：

如图5所示，一种汽车生产工艺，应用汽车结构关键焊缝识别方法后，选出关键焊缝，并使用焊缝检测装置对若干关键焊缝进行检测，并管控关键焊缝的焊接质量。

进一步，对关键焊缝采用磁粉探伤检测，对孔中或槽中的焊缝进行检测时，所使用的焊缝检测装置为检验导体棒，检验导体棒包括导管8，导管8内部通有电导液，导管8外侧沿导管8延伸方向设置有若干支撑装置。

进一步，支撑装置包括套置在导管8外侧的支撑环一81和支撑环二82，支撑环一81和支撑环二82间通过拉力装置连接，拉力装置用于提供支撑环一81和支撑环二82间的拉力，支持环一固定在导管8外侧，支撑环二82滑动设置在导管8外侧，支撑环一81上铰接有撑板一83的一边，支撑板二84上铰接有撑板二84的一边，撑板一83的另一边和撑板二84的另一边互相铰接。

一对互相铰接撑板一83和撑板二84为一组撑板组，支撑环上沿周向设置有若干组撑板组。

拉力装置、支撑环一81、支撑环二82、撑板一83和撑板二84均为绝缘材料制成。

本发明采用塑性导管8对环形零件或槽型零件上的焊缝进行磁粉探伤检测，由导管8为弹性，在伸入孔洞或槽时，能够随着零件的形状变形，提高了本装置的适用性，进而使本生产工艺能够适用于更多的汽车零部件的加工和生产，由于支撑环一81和支撑环二82一个固定一个滑动，当沿支撑环一81到支撑环二82的方向拉动导管8时，撑板一83和撑板二84的铰接轴会与零件的孔洞或槽进行接触并压紧，撑板一83和撑板二84所呈夹角度会降低，此时保持对导轨的拉力即可使导管8固定座零件中，且使导管8能够沿零件孔洞和槽的中心定位，同时还可调节拉力装置所提供的拉力大小，并在支撑环一81到支撑环二82的方向上使若干拉力装置的拉力依次增大，使导管8便于拉紧，并提高导管8的固定效果，当安装导管8或卸载导管8时，仅需沿支撑环二82到支撑换一的方向拉动导管8即可，便于使用和操作，支撑装置的应用使焊缝检测装置能够应用于多种孔径或尺寸的零件，同时轻便易用，提高了检测效率，进而提高了生产工艺的检测效率和泛用性。

进一步，支撑环二82远离支撑环一81的一端设置有若干固定条85，固定条85为磁性材料，固定条85沿导管8母线方向设置，在导管8上还设置有若干永磁体86，永磁体86的磁导线方向为导管8在该处的切线方向，永磁体86与固定条8585相吸时，撑板一83和撑板二84位于同一平面。

本发明在伸入工件孔洞或槽的过程中，撑板一83和撑板二84被拉直，拉力装置被拉动至最长，但由于此时永磁体86一和永磁体86二互相吸引，保证状态稳定，便于导管8的伸入，导管8就位后，通过向导管8中通电，导管8形成磁场，由于永磁体86的磁导线方向与导管8所形成磁场方向一致，电磁场和永磁场互相抵消，此时永磁体86和固定条85分离，拉力装置驱动支撑环二82向支撑环一81移动，最终使导管8固定，方便轻巧，构思巧妙。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，

步骤一：建立汽车结构件的有限元模型，并建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型，

步骤二：建立设计变量并与焊缝的厚度关联，要求为每条焊缝分别建立一设计变量，该设计变量与焊缝的厚度属性相关联，设计变量的初始值设置为焊缝单元当前厚度；

并建立设计响应并与焊缝的结构性能指标关联，首先建立设计响应，然后将设计响应与焊缝的结构性能指标关联，可选择结构的总质量、结构变形量、最高应力、模态，可设置多个设计响应；

并进行设计变量和设计响应的灵敏度分析，要求完成载荷、约束等工况设置；并建立一个最优化目标灵敏度，并指定优化目标函数和优化约束；然后利用灵敏度分析软件进行分析；

得到每条焊缝的灵敏度，焊缝的厚度灵敏度指的是每条焊缝厚度分别增加单位值，所引起的设计响应改变量；

步骤三：对焊缝灵敏度进行排序，选出关键焊缝；从分析结果中提取出各条焊缝的灵敏度数值后，排序选出灵敏度靠前的焊缝作为关键焊缝，在后续实际制造过程中，将对这些关键焊缝进行重点管控；通常可选出全部焊缝的1/5-1/3作为关键焊缝。

2.根据权利要求1所述的一种汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，

在建立所述汽车结构件间的焊缝连接模型时，对焊缝采用壳单元模拟。

3.根据权利要求1所述的一种汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，

最优化目标灵敏度为结构性能指标-质量比灵敏度，优化目标函数为：

最优化目标灵敏度＝结构性能指标灵敏度/质量灵敏度。

4.根据权利要求1所述的一种汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，

在建立汽车结构件的有限元模型中，需建立有限元网格，并对有限元网格精细化处理，为有限元模型中的汽车结构件各部件赋正确的材料参数和厚度。

5.根据权利要求1所述的一种汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，

对焊缝采用壳单元模拟，将每条焊缝作为独立组件，并为每条焊缝赋材料和厚度，材料为焊缝所连接的汽车零部件中屈服强度低的材料，厚度为焊缝所连接的汽车零部件中薄的材料。

6.一种汽车结构关键焊缝识别系统，用于实施权利要求1～5任一项所述的汽车结构关键焊缝识别方法，其特征在于，所述汽车结构关键焊缝识别系统包括：

模型设计模块，模型数据模块，运算模块，排列模块，

模型设计模块，用于建立汽车结构件的有限元模型和焊缝连接模型，

模型数据模块，用于记录汽车结构件和焊缝的材料和厚度，并记录设计变量和设计响应，

运算模块，用于计算每个设计响应的灵敏度，并计算焊缝的灵敏度，

排列模块，用于对设计响应和\或最优化目标的灵敏度进行排列。

7.一种汽车结构关键焊缝识别装置，其特征在于，包括：

输入装置：用于输入信息建立汽车结构件的有限元模型和焊缝连接模型并赋值，

储存器：用于储存程序，

处理器：用于通过执行所述储存器储存的程序以实现如权利要求1～5中任一项所述的汽车结构关键焊缝识别方法。

8.一种汽车生产工艺，其特征在于，应用权利要求1～5中任一项所述的汽车结构关键焊缝识别方法后，选出关键焊缝，并使用焊缝检测装置对若干关键焊缝进行检测，并管控关键焊缝的焊接质量。

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