基于布置及路径的车身焊接多目标优化研究

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白车身由多种薄板拼接而成,其连接方式主要为点焊连接。由于焊点数量庞大且布局方式多样,会不同程度影响车身的静动态性能、工作效率等。焊点数量冗余,不仅造成作业人员工作量增加、浪费资源等成本问题,还会造成车身局部应力集中、焊点疲劳寿命较低等性能问题。焊点不足,则导致整车性能差,安全性降低,不确定性因素增加;基于工程师经验的焊接路径规划,则会出现焊接路径重复等问题,影响生产线效率和工作安排。所以在满足车身整体性能和生产效率的基础上,对焊点数量进行合理优化布置、寻找最优焊接路径规划方案,对提高车身结构的综合性能、提高焊接生产效率、降低焊接装配成本具有重要意义。针对国内某款车型,本文重新布置B柱内外板焊点并进行多目标拓扑优化,运用算法对前地板、后背门焊接进行路径规划对比,主要内容有:1、车身B柱有限元建模及分析。建立车身B柱有限元模型,根据车身B柱结构自身的特点以及国际通用焊接标准,计算焊点直径、焊点间距以及焊点与车身B柱内外板边缘距离,采用cweld布置焊点。对车身B柱有限元模型在扭转工况、弯曲工况、压缩工况、自由模态工况下进行静态刚度、强度和模态分析,并以应变为基础预测其疲劳寿命。2、车身B柱焊点多目标拓扑优化。首先,基于变密度法,分别建立车身B柱单工况下静态与模态优化数模,设置惩罚系数、体积分数等参数后通过求解器求解,分别得到扭转工况、弯曲工况、压缩工况的柔度迭代图、模态工况的一阶模态频率迭代图以及其他结果文件,从中得到各工况最大、最小柔度值,一阶模态最大、最小频率值等重要数据。然后,基于折衷规划法建立车身B柱的多目标拓扑优化模型,通过层次分析法分别赋予不同工况权重值,并以一致性判断准则验证权重合理性。最后,在optistruct中分别定义响应、目标函数、各类参数等设置后对v(28)5.0、v(28)4.0和v(28)3.0三种体积分数约束下的焊点进行多目标拓扑优化,得到不同体积约束下的目标函数迭代图和拓扑优化后焊点密度分布图。分别对比v(28)5.0、v(28)4.0和v(28)3.0约束下的静动态性能以及疲劳寿命值,最终确定车身B柱焊点布置方案。3、以前地板、后背门为焊接仿真对象,分别选择遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法进行求解,通过仿真得到不同算法的焊接路径规划图、最短距离及平均距离迭代图。通过对比分析多种优化算法,选择寻优能力强、计算精度高等优点的算法求解焊接路径规划问题。综合各方面,最终选择蚁群算法规划焊点数量较少部件的焊接路径。
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