本發(fā)明屬于汽車車身焊點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種汽車碰撞仿真的焊點(diǎn)非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法。

背景技術(shù)：

汽車車身的開發(fā)需要兼顧剛度、強(qiáng)度、碰撞安全等性能，汽車車身為焊接結(jié)構(gòu)，有薄板沖壓件通過焊接裝配在一起。焊點(diǎn)的數(shù)量和布局對車身的結(jié)構(gòu)性能與制造成本具有重要的影響。現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)車身的焊點(diǎn)總數(shù)在5000～6000個，焊點(diǎn)布置方案往往依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，但是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計可能導(dǎo)致一些區(qū)域的焊點(diǎn)數(shù)量過多，增加制造成本；亦或是另外一些區(qū)域的焊點(diǎn)數(shù)量過少，影響車身的結(jié)構(gòu)性能。在車身開發(fā)過程中如果能夠找到設(shè)計冗余的焊點(diǎn)以及影響性能較小的焊點(diǎn)對節(jié)省制造成本有很大意義。

此外，隨著高強(qiáng)度鋼板在車身上的應(yīng)用越來越普遍，材料剛性相比于傳統(tǒng)低碳鋼有很大提升。若仍然采用傳統(tǒng)的低碳鋼條件下按照30-40mm間隔布置焊點(diǎn)會過于保守。對照歐美和日本的車身焊點(diǎn)數(shù)量和布置，一款A(yù)級別車身焊點(diǎn)總數(shù)將達(dá)到4000～4800個，且焊點(diǎn)間距約為50-70mm。由于缺乏理論技術(shù)方法和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國各大主機(jī)廠在車身開發(fā)方面仍選擇保守焊點(diǎn)布置，但對于能夠有效指導(dǎo)焊點(diǎn)布置的方法確有著非常迫切的需求。

有限元仿真分析與優(yōu)化技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于對車身結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行虛擬評估與改進(jìn)設(shè)計。也可以通過有限元分析找出設(shè)計冗余的焊點(diǎn)或承載能力不足的區(qū)域，對冗余焊點(diǎn)進(jìn)行刪減，并增加承載能力不足區(qū)域的焊點(diǎn)，使得焊點(diǎn)的布置得到合理優(yōu)化，既可以滿足車身性能又能夠降低制造成本。其主要思路是將焊點(diǎn)定義為ACM實(shí)體單元，通過實(shí)體單元的拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)在滿足車身結(jié)構(gòu)性能前提下的焊點(diǎn)布置的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。拓?fù)鋬?yōu)化算法基本采用變密度法，將每個單元的材料密度作為設(shè)計變量，若密度為0或接近于0，說明該焊點(diǎn)單元屬于冗余設(shè)計，可以進(jìn)行適當(dāng)刪減；反之若密度為1或接近于1，表明該焊點(diǎn)對結(jié)構(gòu)性能的貢獻(xiàn)量很大。

值得一提的是，目前這類焊點(diǎn)布置的拓?fù)鋬?yōu)化方法僅適用于線性工況，如車身剛度和模態(tài)性能。例如我國發(fā)明專利：CN201410214771專利號的專利《車身B柱焊點(diǎn)布置優(yōu)化方法》也只能實(shí)現(xiàn)剛度和模態(tài)條件下的車身B柱焊點(diǎn)布置的線性拓?fù)鋬?yōu)化。B柱作為車身重要零件，不僅要求滿足基本的剛度和模態(tài)性能，更重要的是能夠確保汽車在受到側(cè)面碰撞情況下B柱有足夠的強(qiáng)度來抵抗變形，保護(hù)乘員安全。以此類推，整車車身結(jié)構(gòu)需要有足夠的剛度和強(qiáng)度來抵抗來自正面、側(cè)面、后面以及頂部的碰撞，而焊點(diǎn)的布置對于碰撞性能的影響也很大。

車身焊點(diǎn)布置除考慮線性剛度和模態(tài)要求外，還需要兼顧不同形式的碰撞性能。與剛度和模態(tài)有限元仿真的線性分析工況不同，碰撞仿真屬于與時間相關(guān)聯(lián)的非線性工況。針對碰撞非線性優(yōu)化問題，目前廣泛采用試驗(yàn)與設(shè)計相結(jié)合的響應(yīng)面方法來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，但主要適用于車身結(jié)構(gòu)的厚度、形狀等參數(shù)的優(yōu)化，并不適合數(shù)量大、且分布不規(guī)則的焊點(diǎn)布置優(yōu)化。

等效靜載方法是由韓國漢陽大學(xué)的Park教授提出，將非線性分析在時間點(diǎn)上進(jìn)行離散，獲得各離散點(diǎn)（時刻）下節(jié)點(diǎn)的位移，通過剛度矩陣和節(jié)點(diǎn)位移矩陣計算得到對應(yīng)離散點(diǎn)下的線性模型的受力情況，以此將非線性工況下的瞬態(tài)作用力等效為線性工況下的靜態(tài)載荷，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)線性工況下的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化迭代收斂后將設(shè)計變量更新到非線性模型中，通過非線性分析更新等效載荷值，循環(huán)迭代直至達(dá)到優(yōu)化設(shè)計要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，針對目前汽車車身焊點(diǎn)布置無法考慮到碰撞非線性工況的問題，提出一種基于等效靜載理論的車身焊點(diǎn)非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法，其將碰撞載荷力等效或映射到線性優(yōu)化模型中進(jìn)行焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，指導(dǎo)焊點(diǎn)布置優(yōu)化，甄別重要焊點(diǎn)和非重要焊點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車身焊點(diǎn)的最佳布置。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種車身焊點(diǎn)布置的非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法，該拓?fù)鋬?yōu)化方法包括如下步驟：

a、首先建立整車碰撞仿真有限元模型，提交LS-DYNA計算，輸出碰撞性能重點(diǎn)關(guān)注的節(jié)點(diǎn)位移值，作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的約束參考；b、建立白車身線性剛度仿真的有限元模型，提交GENESIS優(yōu)化計算，確保模型的準(zhǔn)確性；c、碰撞模型和白車身模型中的有關(guān)焊點(diǎn)建模均采用實(shí)體單元，且實(shí)體單元各個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置保持一致；d、采用等效靜載方法將碰撞非線性工況轉(zhuǎn)換為線性靜態(tài)工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計；e、將焊點(diǎn)設(shè)置為拓?fù)渥兞?，以焊點(diǎn)質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，約束函數(shù)設(shè)置為步驟d中所有等效載荷工況下的某些節(jié)點(diǎn)位移值不超過設(shè)計值，通過GENESIS實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計；f、將步驟e中通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計獲得的焊點(diǎn)密度值更新到碰撞有限元模型中，并重新進(jìn)行一輪碰撞仿真分析，獲得各時刻下更新的等效靜載工況；g、迭代迅仿步驟e-f，直至滿足優(yōu)化設(shè)計定義的收斂準(zhǔn)則位置；h、最后對收斂結(jié)果進(jìn)行后處理。

步驟d中的等效靜載方法具體為：首先利用GENESIS計算白車身模型的剛度矩陣K，然后自動提交碰撞模型給LS-DYNA軟件進(jìn)行計算，計算整車或白車身所屬節(jié)點(diǎn)在某一時刻的位移值矩陣D，利用剛度矩陣K和節(jié)點(diǎn)位移值D獲得白車身線性模型中各節(jié)點(diǎn)的外部加載力，最終獲得單一時刻下的白車身線性靜態(tài)分析模型；循環(huán)重復(fù)并將所關(guān)心的多個時刻下的碰撞響應(yīng)通過等效靜載方式轉(zhuǎn)換為線性分析模型，只需要確保等效的時刻足夠多，即可實(shí)現(xiàn)碰撞工況的整體力學(xué)性能轉(zhuǎn)換。

在步驟e中，碰撞工況至線性工況的白車身邊界約束使用慣性釋放技術(shù)實(shí)現(xiàn)。步驟h中的后處理步驟具體為：若焊點(diǎn)實(shí)體單元的密度為1,則為重要單元，不予刪除；若焊點(diǎn)實(shí)體單元的密度為0，則為不重要單元，能夠刪除；同時選擇一個密度閾值，如0.3，低于0.3以下的實(shí)體焊點(diǎn)單元為非重要焊點(diǎn)，能夠在后續(xù)碰撞仿真驗(yàn)證中進(jìn)行適當(dāng)刪除并校核碰撞性能差異。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明中的車身焊點(diǎn)布置的非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法主要利用等效靜載理論將碰撞非線性工況的力載荷轉(zhuǎn)換為線性靜態(tài)工況，對實(shí)體焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在滿足各重要時刻碰撞性能的前提下實(shí)現(xiàn)車身焊點(diǎn)布置。本發(fā)明中的非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法首次將非線性碰撞集成到焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化中，確保車身焊點(diǎn)布置的合理性，避免冗余焊點(diǎn)布置，減少焊點(diǎn)數(shù)量，降低制造成本，并且提高生產(chǎn)效率。采用本發(fā)明方法的整個優(yōu)化過程將碰撞非線性工況考慮到焊點(diǎn)布置方面，使得焊點(diǎn)布置方案更加合理可靠。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

一種車身焊點(diǎn)布置的非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法，該拓?fù)鋬?yōu)化方法包括如下步驟：a、首先建立整車碰撞仿真有限元模型，提交LS-DYNA計算，輸出碰撞性能重點(diǎn)關(guān)注的節(jié)點(diǎn)位移值，作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計的約束參考；b、建立白車身線性剛度仿真的有限元模型，提交GENESIS優(yōu)化計算，確保模型的準(zhǔn)確性；c、碰撞模型和白車身模型中的有關(guān)焊點(diǎn)建模均采用實(shí)體單元，且實(shí)體單元各個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置保持一致；d、采用等效靜載方法將碰撞非線性工況轉(zhuǎn)換為線性靜態(tài)工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計；e、將焊點(diǎn)設(shè)置為拓?fù)渥兞?，以焊點(diǎn)質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，約束函數(shù)設(shè)置為步驟d中所有等效載荷工況下的某些節(jié)點(diǎn)位移值不超過設(shè)計值，通過GENESIS實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計；f、將步驟e中通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計獲得的焊點(diǎn)密度值更新到碰撞有限元模型中，并重新進(jìn)行一輪碰撞仿真分析，獲得各時刻下更新的等效靜載工況；g、迭代迅仿步驟e-f，直至滿足優(yōu)化設(shè)計定義的收斂準(zhǔn)則位置；h、最后對收斂結(jié)果進(jìn)行后處理。

步驟d中的等效靜載方法具體為：首先利用GENESIS計算白車身模型的剛度矩陣K，然后自動提交碰撞模型給LS-DYNA軟件進(jìn)行計算，計算整車或白車身所屬節(jié)點(diǎn)在某一時刻的位移值矩陣D，利用剛度矩陣K和節(jié)點(diǎn)位移值D獲得白車身線性模型中各節(jié)點(diǎn)的外部加載力，最終獲得單一時刻下的白車身線性靜態(tài)分析模型；循環(huán)重復(fù)并將所關(guān)心的多個時刻下的碰撞響應(yīng)通過等效靜載方式轉(zhuǎn)換為線性分析模型，只需要確保等效的時刻足夠多，即可實(shí)現(xiàn)碰撞工況的整體力學(xué)性能轉(zhuǎn)換。

在步驟e中，碰撞工況至線性工況的白車身邊界約束使用慣性釋放技術(shù)實(shí)現(xiàn)。步驟h中的后處理步驟具體為：若焊點(diǎn)實(shí)體單元的密度為1,則為重要單元，不予刪除；若焊點(diǎn)實(shí)體單元的密度為0，則為不重要單元，能夠刪除；同時選擇一個密度閾值，如0.3，低于0.3以下的實(shí)體焊點(diǎn)單元為非重要焊點(diǎn)，能夠在后續(xù)碰撞仿真驗(yàn)證中進(jìn)行適當(dāng)刪除并校核碰撞性能差異。

實(shí)施例：擬優(yōu)化問題：前縱梁碰撞工況在保證質(zhì)量不增加的前提下實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)最佳布置，剔除現(xiàn)有模型中的冗余焊點(diǎn)，要求前縱梁在10ms和20ms時刻三個節(jié)點(diǎn)的X向變形量不超過設(shè)計值。

a、定義前縱梁正碰碰撞模型，即前縱梁以一定初速速度撞擊剛性墻；為說明簡便線性模型也直接選擇前縱梁模型，焊點(diǎn)單元采用實(shí)體單元進(jìn)行定義；

b、采用等效靜載理論將碰撞10ms和20ms時刻碰撞模型的所有節(jié)點(diǎn)位移值輸出形成位移矩陣，結(jié)合前縱梁模型單元的剛度矩陣，可以計算獲得10ms和20ms線性工況下各個節(jié)點(diǎn)的外力加載值；

c、利用慣性釋放技術(shù)實(shí)現(xiàn)前縱梁碰撞邊界約束的自平衡，定義實(shí)體焊點(diǎn)單元為拓?fù)湓O(shè)計變量，節(jié)點(diǎn)1-3在10ms和20ms的位移值小于設(shè)定值，設(shè)置焊點(diǎn)質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)；通過50次GENESIS迭代和10次LS-DYNA循環(huán)優(yōu)化，最終獲得滿足收斂準(zhǔn)則或約束條件的結(jié)果；

d、后處理中顏色為灰色的實(shí)體單元即單元密度小于0.3，屬于冗余焊點(diǎn)，可以刪除；再可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行焊點(diǎn)重新布置優(yōu)化，即非重要焊點(diǎn)單元可以刪除，并重新布置局部焊點(diǎn)間距。整個優(yōu)化過程將碰撞非線性工況考慮到焊點(diǎn)布置方面，使得焊點(diǎn)布置方案更加合理可靠。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上內(nèi)容僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行的簡單修改或者等同替換，均不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)和范圍。