CN109933836A - 一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，包括：建立白车身刚度有限元模型，进行白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真；对白车身焊点进行拓扑优化，确定焊点参数优化设计区域；进行焊点参数优化设计区域的焊点位置参数化建模；进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算；提取DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型；基于径向基函数近似模型，进行焊点位置优化；调用白车身刚度有限元模型，对焊点位置优化结果进行验证。本发明能在满足车身刚度性能约束下，对焊点布置方法进行优化设计，从而减少焊点数量，节省产品装配周期与制造成本。

Description

一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法

技术领域

本发明属于汽车CAE仿真技术领域，具体涉及一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法。

背景技术

焊接工艺利用局部加热和/或局部加压的方法，使两个分离的金属构件连接成一体，具有节省金属材料、减轻结构重量、结构强度高、简化加工与装配工序、易实现机械化和自动化等优点。因此，现代汽车的白车身结构大多由薄板冲压件采用焊接工艺拼接而成，焊点数量一般可达数千颗量级。

目前，国内整车厂在汽车研发过程中，车身焊点布置方法主要依据通用的焊接规范和工程经验，同时参考已有的成熟车型进行确定，如果结构性能满足设计目标要求，则很少对焊点布置方法进行优化设计。随着国内外汽车市场竞争日益激励，对汽车研发制造周期以及成本控制水平都提出了更高的要求。传统的焊点布置方式带来的设计冗余问题不仅会增长整车装配周期，还会直接增加生产制造成本，已不能满足现阶段汽车研发需求。

随着有限元分析技术、拓扑优化和参数优化技术在汽车设计过程中的广泛应用，为设计人员进行车身焊点布置提供了一种行之有效的优化方法。其中，拓扑优化技术可以在给定的设计空间内找到最佳的材料分布或者传力路径，从而帮助设计人员快速识别关重焊点分布规律，确定焊点参数优化设计区域。

焊点布置方法是影响车身刚度、强度和碰撞安全等性能的重要因素，对焊点布置方法的优化设计不能脱离车身性能而单独开展。在车身众多性能评价参数中，弯曲刚度、扭转刚度是影响车身性能优劣的基础设计指标，如果车身刚度不足，在日常的使用过程中，可能造成车厢密封不严以至漏风、渗雨以及内饰脱落等现象；在发生碰撞时也可能引起车身的门框、窗框、发动机舱盖和行李箱开口等处的变形过大，从而导致不符合汽车安全法规的现象发生。如果车身刚度设计不合理，车身会很容易被激励起来，某些部位在低频范围内产生局部共振，进而引起车厢内空气共鸣，降低用户体验。

综上，有必要开发一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，以在满足车身刚度性能约束下，对焊点布置方法进行优化设计，从而减少焊点数量，节省产品装配周期与制造成本。

本发明所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，包括：

步骤1：建立白车身刚度有限元模型，进行白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真；

步骤2：对白车身焊点进行拓扑优化，确定焊点参数优化设计区域；

步骤3：进行焊点参数优化设计区域的焊点位置参数化建模；

步骤4：进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算；

步骤5：提取DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型(即白车身刚度近似模型)；

步骤6：基于径向基函数近似模型，进行焊点位置优化；

步骤7：调用白车身刚度有限元模型，对焊点位置优化结果进行验证，若满足车身刚度性能要求，则结束，若不满足车身刚度性能要求，则返回步骤6重新进行焊点位置优化。

每个步骤具体实现如下：

所述步骤1具体为：采用前处理软件建立白车身刚度有限元模型，基于弯曲刚度和扭转刚度标准分析工况，分别建立对应的SPC约束和激励力载荷，设置车身结构位移响应输出，然后采用有限元分析软件计算得到白车身弯曲刚度和扭转刚度的初始设计值(即初始设计状态下白车身弯曲刚度和扭转刚度)，实现白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真。

所述步骤2具体为：在弯曲、扭转两种载荷工况下，以加权应变能最小为优化目标，焊接单元优化后的体积分数为约束条件，设计空间为焊点单元区域，对白车身焊点进行拓扑优化，得到不同密度区间的焊点分布情况，根据焊点分布情况选择不包含弯曲刚度和扭转刚度关重焊点的区域(即选择弯曲刚度和扭转刚度非关重焊点区域)作为焊点参数优化设计区域。

所述步骤3具体为：先在前处理软件中导入白车身刚度有限元模型，删掉焊点参数优化设计区域内的焊点单元，然后对焊点参数优化设计区域创建焊接线，提取焊点位置参数作为设计参数，再定制脚本文件控制焊点单元按设计参数自动生成，其中，对于均匀分布焊点由焊点间距进行定义(即将焊点分布间距作为焊点位置参数，即设计参数)，对于非均匀分布焊点通过焊点密度函数进行定义(即将焊点密度函数作为焊点位置参数，即设计参数)；然后再建立工作流程，先后进行设计参数输入(即设计变量输入)、脚本文件驱动的焊点自动生成以及白车身刚度有限元模型输出，完成焊点参数优化设计区域的焊点位置参数化建模，实现焊点位置参数化模型自动更新并输出白车身刚度有限元模型。

所述步骤4具体为：基于焊点位置参数化模型，设置输入变量为焊点位置参数，输出变量为弯曲刚度、扭转刚度和新生成的焊点数量，采用最优拉丁超方试验设计方法进行DOE采样计算。基于DOE样本点与计算结果，可以进行焊点位置设计参数对车身性能和焊点数量的相关性分析。

所述步骤5具体为：提取DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型(即白车身刚度近似模型)，并验证径向基函数近似模型是否满足精度要求，如果满足精度要求(比如径向基函数近似模型的精度大于或等于95％)，则执行步骤6，如果不满足精度要求(比如径向基函数近似模型的精度小于95％)，则增加DOE样本点，并返回步骤4进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算，直到满足精度要求。

所述步骤6具体为：基于径向基函数近似模型，以焊点参数优化设计区域内焊点数量最小为优化目标，以白车身弯曲刚度和扭转刚度不小于所述初始设计值为约束条件，采用全局优化算法完成焊点位置优化，获得一组最佳的焊点位置设计参数。

所述步骤7具体为：调用白车身刚度有限元分析模型，计算得到焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度，若焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度满足车身刚度性能要求，则结束，若焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度不满足车身刚度性能要求，则返回步骤6重新进行焊点位置优化，直到满足车身刚度性能要求再结束。

本发明通过CAE有限元仿真技术实现了车身弯曲刚度和扭转刚度精准仿真，再根据焊点初始布置状态进行拓扑优化，识别出对车身弯曲刚度和扭转刚度影响度大的焊点分布区域，然后以非关重焊点区域作为焊点参数优化设计区域，建立焊点位置参数化模型，实现焊点位置自动化更新，最后构造径向基函数近似模型代替高耗时的CAE有限元分析模型，以焊点参数优化设计区域内焊点数量最小为优化目标，以白车身弯曲刚度和扭转刚度不小于所述初始设计值为约束条件，开展焊点位置优化，进而获得满足车身刚度性能指标条件的最优的焊点布置方法(即得到最佳的焊点位置设计参数)。

本发明具有如下效果：

(1)通过焊点拓扑优化与焊点位置优化相结合的方式，识别影响车身刚度性能的焊点关重区域和非关重区域，进而在满足性能指标约束条件下，优化焊点布置方法，减少了车身焊点数量。

(2)成本低、设计效率高，能够在汽车产品研发过程中实现焊点布置精准设计，改善车身焊点布置方法，提高产品设计质量，提升产品正向开发水平，在保证汽车性能开发品质的同时，能有效地缩短整车装配周期、节省整车制造成本。

附图说明

图1为基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法流程图。

图2为作为焊点参数优化设计区域的焊点区1和焊点区2的示意图。

图3为作为焊点参数优化设计区域的焊点区3的示意图。

图4为焊点分布间距对弯曲刚度、扭转刚度以及新生成的焊点数量的影响度排序图。

图5为径向基函数近似模型预测值与真实值的对比图。

具体实施方式

汽车侧围焊点优化布置属于白车身焊点优化布置的一部分，为了更好地说明本发明的方法，下面通过长安某车型侧围焊点优化实例，结合表格、附图对本发明做进一步说明。

如图1所示的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，包括：

步骤1：建立白车身刚度有限元模型，进行白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真

采用前处理软件Hypermesh建立该车型白车身刚度有限元模型，基于弯曲刚度和扭转刚度标准分析工况，分别建立对应的SPC约束和激励力载荷，设置车身结构位移响应测点并通过.pch文件输出响应值，然后采用有限元分析软件NASTRAN计算得到白车身弯曲刚度和扭转刚度的初始设计值(即初始设计状态下白车身弯曲刚度和扭转刚度)，实现白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真。经计算，白车身扭转刚度的初始设计值为1106kN·m/rad，白车身弯曲刚度的初始设计值为13045N/m。

步骤2：对白车身焊点进行拓扑优化，确定焊点参数优化设计区域

在弯曲、扭转两种载荷工况下，以加权应变能最小为优化目标，焊接单元优化后的体积分数≤0.25，设计空间为白车身所有焊点实体单元；采用HyperWorks/OptiStruct模块对白车身焊点进行拓扑优化，得到不同密度区间的焊点分布情况。其中，前机舱关重焊点集中在左右前悬、机舱上纵梁、机舱下纵梁与流水槽；下车体关重焊点集中在A柱下接头、B柱下接头、C柱下接头、D柱下接头和后地板横梁与纵梁搭接处，共计300颗关重焊点。

由焊点拓扑优化结果可以看出，车身前后门框区域不包含弯曲刚度和扭转刚度关重焊点，同时为保证整车碰撞安全性能不受影响，选取图2、图3所示区域作为焊点参数优化设计区域，对其焊点布置方案进行优化，初始设计状态下焊点共计131颗。在图2、图3中，焊点区1为后车门框后侧，焊点区2为侧围外板上部加强件与侧围焊接处，焊点区3为A立柱上内板与侧围外板上部加强件焊接处。

步骤3：进行焊点参数优化设计区域的焊点位置参数化建模

先在前处理软件ANSA中导入白车身刚度有限元模型，删掉焊点区1、焊点区2和焊点区3内的焊点单元，然后分别对焊点区1、焊点区2和焊点区3创建焊接线，提取焊点分布间距作为设计参数，再基于Script模块定制脚本文件控制焊点单元按设计参数自动生成；然后再在ANSA的Task Manager模块中建立Optimization Task工作流程，先后进行设计参数输入(即设计变量输入)、脚本文件驱动的焊点自动生成以及白车身刚度有限元模型输出，完成焊点位置参数化模型建立。其中，设计参数定义如表1所示：参数DensityValue为设计焊点区1内焊点分布间距；参数SpaceValue为设计焊点区2内焊点分布间距，参数SpaceValue_1为设计焊点区3内焊点分布间距。

表1设计参数定义

步骤4：进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算

基于焊点位置参数化模型，设置输入变量为焊点分布间距，输出变量为弯曲刚度、扭转刚度和新生成的焊点数量，采用最优拉丁超方试验设计方法开展DOE采样计算，样本数量共计40组。

基于DOE样本点与计算结果，分别对车身弯曲刚度、扭转刚度以及新生成的焊点数量进行1次拟合，得到输入变量关于输出变量的影响度排序。由图4可以看出，焊点区1内焊点分布间距对车身弯曲刚度、扭转刚度性能影响最大，焊点区2内焊点分布间距次之；对于新生成的焊点数量，焊点区1和焊点区2内焊点分布间距影响度相当，焊点区3最小。这个影响度排序可以作为其他结构分析的参考数据。

步骤5：提取DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型

提取DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型(即白车身刚度近似模型)，并验证径向基函数近似模型是否满足精度要求；如果径向基函数近似模型精度大于或等于95％，则表示满足精度要求；如果径向基函数近似模型精度小于95％，则不满足精度要求，需要增加DOE样本点，并返回步骤4进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算，直到满足精度要求。本实施例中径向基函数近似模型预测值与真实值对比如图5所示，径向基函数近似模型的平均误差小于5％(即径向基函数近似模型精度大于95％)，精度满足要求。

步骤6：基于径向基函数近似模型，进行焊点位置优化

基于步骤5建立的径向基函数近似模型，以焊点区1、焊点区2和焊点区3内焊点总数量最小为优化目标，以白车身弯曲刚度和扭转刚度不小于前述白车身弯曲刚度和扭转刚度的初始设计值为约束条件，其数学模型描述如下：

min f＝N_spot

s.t.K_bend≥13045,K_torsion≥1106

式中，N_spot为焊点参数优化设计区域内焊点总和(即焊点区1、焊点区2和焊点区3内焊点总数量)，s.t.K_bend为白车身弯曲刚度，单位：N/mm；K_torsion为白车身扭转刚度，单位：kN·m/rad。

采用全局优化算法完成焊点位置优化，获得一组最佳的焊点位置设计参数，焊点数量共计103颗。

步骤7：调用白车身刚度有限元模型，对焊点位置优化结果进行验证，若满足车身刚度性能要求，则结束，若不满足车身刚度性能要求，则返回步骤6重新进行焊点位置优化

调用白车身刚度有限元分析模型，计算得到焊点位置优化后的白车身弯曲刚度等于13042N/mm、白车身扭转刚度等于1107kN*m/rad，与白车身弯曲刚度和扭转刚度的初始设计值对比如表2所示。

表2优化对比

从表2中数据可以看出，通过对焊点参数优化设计区域内焊点位置进行优化设计后，焊点数量从初始状态的131颗减少至103颗，降低了21.4％，车身弯曲刚度和扭转刚度基本与初始设计状态保持一致(白车身弯曲刚度降低的0.02％在工程上是允许的，属于正常波动范围)，表明优化后的焊点布置方法不会影响车身刚度性能(即焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度满足车身刚度性能要求)，结束优化流程。

Claims (8)

1.一种基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，包括：

步骤1：建立白车身刚度有限元模型，进行白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真；

步骤2：对白车身焊点进行拓扑优化，确定焊点参数优化设计区域；

步骤3：进行焊点参数优化设计区域的焊点位置参数化建模；

步骤4：进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算；

步骤5：提取DOE样本点与计算结果，建立满足精度要求的径向基函数近似模型；

步骤6：基于径向基函数近似模型，进行焊点位置优化；

步骤7：调用白车身刚度有限元模型，对焊点位置优化结果进行验证，若满足车身刚度性能要求，则结束，若不满足车身刚度性能要求，则返回步骤6重新进行焊点位置优化。

2.根据权利要求1所述的基于车身性能约束的焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤1具体为：采用前处理软件建立白车身刚度有限元模型，基于弯曲刚度和扭转刚度标准分析工况，分别建立对应的SPC约束和激励力载荷，设置车身结构位移响应输出，然后采用有限元分析软件计算得到白车身弯曲刚度和扭转刚度的初始设计值。

3.根据权利要求1所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在弯曲、扭转两种载荷工况下，以加权应变能最小为优化目标，焊接单元优化后的体积分数为约束条件，设计空间为焊点单元区域，对白车身焊点进行拓扑优化，得到不同密度区间的焊点分布情况，根据焊点分布情况选择不包含弯曲刚度和扭转刚度关重焊点的区域作为焊点参数优化设计区域。

4.根据权利要求1所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤3具体为：先在前处理软件中导入白车身刚度有限元模型，删掉焊点参数优化设计区域内的焊点单元，然后对焊点参数优化设计区域创建焊接线，提取焊点位置参数作为设计参数，再定制脚本文件控制焊点单元按设计参数自动生成，其中，对于均匀分布焊点由焊点间距进行定义，对于非均匀分布焊点通过焊点密度函数进行定义；然后再建立工作流程，先后进行设计参数输入、脚本文件驱动的焊点自动生成以及白车身刚度有限元模型输出，完成焊点参数优化设计区域的焊点位置参数化建模。

5.根据权利要求1所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤4具体为：基于焊点位置参数化模型，设置输入变量为焊点位置参数，输出变量为弯曲刚度、扭转刚度和新生成的焊点数量，采用最优拉丁超方试验设计方法进行DOE采样计算。

6.根据权利要求1所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤5具体为：提取DOE样本点与计算结果，建立径向基函数近似模型，并验证径向基函数近似模型是否满足精度要求，如果不满足精度要求，则增加DOE样本点，并返回步骤4进行基于焊点位置参数的车身弯曲刚度和扭转刚度DOE采样计算，直到满足精度要求。

7.根据权利要求2所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤6具体为：基于径向基函数近似模型，以焊点参数优化设计区域内焊点数量最小为优化目标，以白车身弯曲刚度和扭转刚度不小于所述初始设计值为约束条件，采用全局优化算法完成焊点位置优化，获得一组最佳的焊点位置设计参数。

8.根据权利要求2所述的基于车身性能约束的白车身焊点优化布置方法，其特征在于，所述步骤7具体为：调用白车身刚度有限元分析模型，计算得到焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度，若焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度满足车身刚度性能要求，则结束，若焊点位置优化后的白车身弯曲刚度和扭转刚度不满足车身刚度性能要求，则返回步骤6重新进行焊点位置优化。