一種不等厚拼焊板焊縫線優化方法

一種不等厚拼焊板焊縫線優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種可適用于基于網格映射和遺傳算法對汽車拼焊板覆蓋件板料焊縫線進行合理布置的工藝優化方法。該方法包括如下步驟，步驟一：建立仿真模型；步驟二：網格映射反求設計焊縫線在板料上初始極限位置；步驟三：確定設計方法獲得樣本數據點：步驟四：構造復合條件的響應面模型：步驟五：求解優化近似模型：步驟六：根據優化模型最優解組合進行仿真分析檢驗結果。同現有單純依靠調整工藝參數控制焊縫線位置偏差及憑借人為經驗設計板料焊縫線的生產方式相比，通過建立仿真模型、借助網格映射、結合實驗對板料焊縫線形狀位置進行工藝優化的方法，能提高拼焊板焊縫線沖壓成形后的位置精度，改善成形性能。
【專利說明】
一種不等厚拼焊板焊縫線優化方法
技術領域
[0001] 本發明公開了一種可適用于基于網格映射和遺傳算法對汽車拼焊板覆蓋件板料 焊縫線進行合理布置的工藝優化方法。
【背景技術】
[0002] 激光拼焊技術可將不同材質不同厚度的鋼板拼接成一張完整的沖壓坯料，是實現 車身輕量化的重要途徑之一，在車身沖壓領域已獲得廣泛應用。在實際沖壓生產過程中，平 板坯料上的焊縫線會隨板料的塑性變形而出現形狀和位置的變化，產生漂移，最終與產品 設計焊縫線產生偏差，因此在沖壓過程中需要控制焊縫線的漂移，使之與設計焊縫線的位 置偏差在公差范圍之內。目前控制焊縫線的漂移有兩種方式，一種是通過工藝控制，調整拉 延筋約束力及坯料形狀控制最終的焊縫線的形狀和位置精度。由于拉延筋約束力及坯料形 狀對沖壓最終的質量會形成很大的影響，因此工藝控制焊縫的方法產生的實際效果是非常 有限的。另一種方法是在保證沖壓件質量的前提下，通過調整坯料焊縫線的位置來控制最 終成形后焊縫線的漂移，這種方法非常有效，但目前都是通過經驗預先大致確定坯料焊縫 線的位置，因此對成形后的焊縫線漂移控制精度沒有保證。鑒于此，本發明提出了一種可適 用于基于網格映射和遺傳算法對汽車拼焊板覆蓋件板料焊縫線進行合理布置的工藝優化 方法，該方法結合沖壓仿真計算、網格映射方法及遺傳算法對焊縫線形狀位置進行優化，得 到合理的板料組合，可以有效的提高成形后焊縫線的位置精度，保證成形質量，減少成形件 產生缺陷的風險。

【發明內容】

[0003] 本發明包含以下步驟：
[0004] 步驟1:初步按照傳統方式確定板料焊縫線形狀位置，針對拼焊板零件進行沖壓成 形仿真分析；
[0005] 步驟2:設計符合沖壓工藝要求的壓料面和工藝補充面，將延長到工藝補充面積壓 料面之上形成一條在拉延工藝模型上的完整焊縫線，提取拉延工藝模型上的完整焊縫線， 根據提取的完整的設計焊縫線利用網格映射方法反求焊縫線在板料上對應的初始極限位 置；
[0006] 步驟3:以反求焊縫線極限位置及設計焊縫線段數采用試驗設計方法獲得樣本數 據點；
[0007] 步驟4:根據樣本點實驗結果，構造響應面模型，確定優化目標、約束條件與設計變 量的多項式響應面近似函數；
[0008] 步驟5:利用遺傳算法進行包括選擇、交叉以及變異的遺傳運算，求解焊縫線位置 參數優化問題的最優解；
[0009] 步驟6:由焊縫線位置參數優化最優解得到拼焊板板料，代入沖壓成形有限元軟件 中進行計算，檢驗優化結果的精度。
[001 0]進一步，在步驟1中，按照設計拼焊件模型要求，焊縫線平面投影位置確定焊縫線 形狀位置及段數，進行仿真分析，在保證成形質量前提下，得到焊縫線最大位置偏差同時為 網格映射反求作基礎；
[0011] 進一步，在步驟2中，提取設計焊縫線并離散為點網格映射方法反求設計焊縫線在 板料上對應的初始極限位置，結合設計模型中焊縫線法向方向，確定焊縫線的段數及極限 區域。
[0012] 進一步，在步驟3中，反求出焊縫線極限位置，選擇合適的試驗設計方法，正交實驗 設計、拉丁方試驗設計以及均勻試驗設計等，獲得關于焊縫線在各個端點的位置樣本數據 點，數據點組合為不同的焊縫線形狀位置。
[0013] 進一步，在步驟4中，優化模型的優化目標為沖壓成形后產品部分焊縫線實際位置 與設計位置偏差的最大值，使最大位置偏差值最小；約束條件為沖壓成形基本質量要求最 大減薄率、最大增厚率符合無開裂、起皺缺陷要求，其中最大減薄率、最大增厚率上下限通 過仿真及板料材料性能參數確定;樣本數據點仿真結果擬合優化目標及約束條件的多項式 響應面模型，具體數據模型為：
[0015] f優化目標為產品部分焊縫線最大值偏差的最小值;WiS最大減薄率，^為最大增 厚率；Amax表示成形后焊縫線實際位置與設計位置的偏差;i為系列樣本點對應序號;a，b表 示為保證良好成形無開裂的板料減薄率最小值、最大值;c、d表示為保證良好成形無起皺板 料增厚率最小值、最大值；
[0016] 進一步，在步驟5中，采用二次響應面模型構建樣本點設計變量與目標值及最大減 薄率、最大增厚率兩約束條件之間的響應面模型，利用遺傳算法進行包括選擇、交叉以及變 異等的遺傳運算，選擇合適的迭代次數求解最優結果即最大位置偏差最小時對應的設計變 量，得到最佳板料焊縫線形狀位置組合及焊縫線位置最大偏差達到最小。
[0017] 進一步，在步驟6中，新的板料組合代入有限元仿真軟件中，檢驗成形后產品部分 焊縫線最大位置偏差與優化結果。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明方法的實施流程示意圖。
[0019] 圖2為提取產品模型焊縫線示意圖。
[0020] 圖3為網格映射方法反求板料焊縫線原始極限位置示意圖。
[0021 ]圖4為一段或多段焊縫線具體確定方式示意圖。
[0022] 圖5為仿汽車門板模型反求焊縫線系列樣本點初始位置示意圖。
[0023] 圖6為傳統方式與優化方法不同板料焊縫線仿真成形焊縫線位置偏差示意圖。
[0024] 圖7傳統方式與優化方法板料焊縫線仿真分析與實物實驗結果示意圖表。
[0025] 圖8傳統方式與優化方法板料焊縫線實物實驗結果示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 以下結合附圖及具體實例對實施方式進行說明：
[0027] 圖1為本發明方法的實施流程示意圖。
[0028]圖2為提取產品模型焊縫線示意圖。拼焊板零部件產品設計模型將孔洞等處理后 補充壓料面工藝補充面部分后總模型，提取包括產品部分的總焊縫線圖2(a)，圖2(b)為焊 縫線取點離散后節點。
[0029] 圖3為網格映射方法反求板料焊縫線原始極限位置示意圖。
[0030] 圖4為一段或多段焊縫線具體確定方式示意圖。根據反求出的焊縫線節點初始位 置，兩極限端點在其初始法向方向組成一閉合區域，根據設計模型要求焊縫線段數可以確 定不同的焊縫線形狀位置。圖4(a)當設計模型及板料要求為以單段焊縫線時，根據網格映 射反求出焊縫線在板料上初始數個極限節點位置附，吧，似，在優化過程需要對最大極限位 置進行考量分析，故N2，N3兩極限位置，選擇在節點法向最大極限點即N2,此時N1、N2兩點在 垂直于法向與原板料組成一閉合區域，兩端位置的不同點組成不同的焊縫線和板料組合。 圖4(b)當設計模型及板料要求為以多段焊縫線時，根據網格映射反求出焊縫線在板料上初 始數個極限節點位置附，吧，吧，需要分段考慮最極限位置。在附與呢之間及附和似之間，與 單段焊縫線選擇類似，但在中間N1N1'線上須有共同節點連接組成易于生產操作的多段焊 縫線。
[0031] 圖5為實施案例仿汽車門板模型反求焊縫線初始位置組合示意圖。
[0032] 圖6為實施案例傳統方式與優化方法不同板料焊縫線仿真成形焊縫線位置偏差示 意圖。在相同的條件下，傳統方法設置焊縫線板仿真成形后，產品部分焊縫線位置偏差最大 值為15.22mm，優化方法確定焊縫線位置板料仿真成形后焊縫線位置偏差最大值為9.63mm。
[0033] 圖7實施案例傳統方式與優化方法板料焊縫線實物實驗結果示意圖。按照兩種方 式分別進行實物實驗，傳統方式板料實物沖壓成形后產品部分焊縫線最大位置偏差為 15.34mm，優化方法確定焊縫線板料實物沖壓成形后產品部分焊縫線最大位置偏差為 9.45mm〇
[0034] 圖8為實施案例傳統方式與優化方法板料焊縫線仿真分析與實物實驗結果示意圖 表。
[0035] 案例實施
[0036]在本文中以焊縫線最終位置與設計位置最大偏差f為優化目標，最大增厚率R、最 小減薄率W為優化工藝參數約束條件控制板料成形過程中良好的成形性能，以焊縫線的兩 端點位置xl、x2為設計變量來調節焊縫線在極限區域的不同形狀位置，建立優化模型如下：
[0038] 根據材料力學性能參數及工程實際經驗可以得出板料不出現開裂起皺等缺陷的 最大增厚率R、最小減薄率W的最大最小值。由網格映射方法反求焊縫線的極限區域可以確 定焊縫線兩側的極限位置。
[0039] 以傳統方式板料及本方法優化確定的板料進行實物沖壓實驗，相應的工藝參數條 件下，得到沖壓實物結果優化目標、約束條件與變量之間近似響應面模型。
[0040] 根據板料焊縫線位置變量與優化目標及約束條件之間的關系，在MATLAB軟件中構 建三次響應面近似模型。
[0041 ]最大焊縫線位置偏差f響應面模型：
[0042] f = -8331 · 8+141 · 4xi+24 · 475x2-0 · 711χι2-0 · 42xix2+0 · 0396x22+
[0043] 0 · 001374χι3-0 · 000359x23+0 · 000478χι2Χ2+0 · 000886xix22 決定系數為 0 · 9535，調整 決定系數為0.9085。
[0044] 最大減薄率W響應面模型：
[0045] R = -2444 · 8+85 · 55x1-38 · 29x2-0 · 3574xi2-0 · 3594xix2+0 · 4148x22+
[0046] 3 · 556x10-4χι3+1 · 191x10-3xi2X2_7 · 57x10-5xix22_8 · 255x10-4X23 決定系數0 · 956調 整決定系數0.9361。
[0047] 最大增厚率W響應面模型：
[0048] W=3876 · 4-0 · 8109x1-75 · 11x2-0 · 3166χι2+0 · 6678xix2+0 · 1484X22
[0049] +0 · 001276χι3-0 · 001876χι2Χ2-0 · 0002697xix22-2 · 2 5 9x10-4X23決定系數0 · 9145，調 整決定系數0.9032。
[0050] 由決定系數和調整決定系數數值可以得出結論，代理模型的擬合精度都較高，可 以滿足預測精度的要求。
[0051] 利用遺傳算法進行包括選擇、交叉以及變異等的遺傳運算。本次研究中，取種群大 小η = 30，經過循環迭代得到最終優化結果為：焊縫線兩端點位置為xl = 168.5mm, x2 = 156mm，焊縫最大移動量為9.63mm，最大增厚率28.75 %，最大減薄率29.16%，可見優化結果 滿足約束條件。將優化后的工藝參數代入沖壓成形有限元軟件Dynaform中進行計算得到 9.28_，可見優化結果的精度是比較高的。
[0052]按照兩種方式分別進行實物實驗，附圖7中（a)傳統方式板料實物沖壓成形后產品 部分焊縫線最大位置偏差為15.34mm，（b)為優化方法確定焊縫線板料實物沖壓成形后產品 部分焊縫線最大位置偏差為9.45mm。實物實驗與仿真實驗誤差均在10%以內。仿真實驗與 實物實驗結果表明，在相同的壓邊力、拉延筋等工藝條件，零件部分無開裂和起皺的成形缺 陷的前提下，對確定的板料合理預先布置焊縫線的形狀位置，可以有效減小焊縫線實際位 置和設計位置的偏差，改善模型中不同側材料的分布與設計模型更加紊合，同時減小焊縫 線位置產生開裂的風險。
[0053]為了提高不等厚激光拼焊板焊縫線的位置精度問題，本發明提出一種基于網格映 射和遺傳算法的不等厚拼焊板焊縫線優化方法，其特征在于采用以下步驟：
[0054]步驟1:初步按照傳統方式確定板料焊縫線形狀位置，針對拼焊板零件進行沖壓成 形仿真分析；
[0055] 步驟2:設計符合沖壓工藝要求的壓料面和工藝補充面，將延長到工藝補充面積壓 料面之上形成一條在拉延工藝模型上的完整焊縫線，提取拉延工藝模型上的完整焊縫線， 根據提取的完整的設計焊縫線利用網格映射方法反求焊縫線在板料上對應的初始極限位 置；
[0056] 步驟3:以反求焊縫線極限位置及設計焊縫線段數采用試驗設計方法獲得樣本數 據點；
[0057] 步驟4:根據樣本點實驗結果，構造響應面模型，確定優化目標、約束條件與設計變 量的多項式響應面近似函數；
[0058] 步驟5:利用遺傳算法進行包括選擇、交叉以及變異等的遺傳運算，求解焊縫線位 置參數優化問題的最優解；
[0059] 步驟6:由焊縫線位置參數優化最優解得到拼焊板板料，代入沖壓成形有限元軟件 中進行計算，檢驗優化結果的精度。
[0060] 本方法通過建立仿真模型借助網格映射、結合實驗設計方法響應面模型對板料焊 縫線形狀位置進行工藝優化方法，得到合理的板料組合，提高拼焊板焊縫線沖壓成形后實 際位置與設計位置的精度，從而改善成形性能，為拼焊板焊縫線的工藝優化提供了一種實 際可行性和創新性的方法，對生產具有實際指導作用。
[0061] 以上所舉實例僅為本發明的優選實例，凡是依本發明權利要求及發明說明書內容 所作的簡單的等效變化與修飾，皆應屬本發明專利覆蓋的范圍。
【主權項】
1. 一種不等厚拼焊板焊縫線優化方法，其特征在于采用W下步驟： 步驟1:初步按照傳統方式確定板料焊縫線形狀位置，針對拼焊板零件進行沖壓成形仿 真分析； 步驟2:設計符合沖壓工藝要求的壓料面和工藝補充面，將延長到工藝補充面積壓料面 之上形成一條在拉延工藝模型上的完整焊縫線，提取拉延工藝模型上的完整焊縫線，根據 提取的完整的設計焊縫線利用網格映射方法反求焊縫線在板料上對應的初始極限位置； 步驟3: W反求的焊縫的初始線極限位置及設計焊縫線段數采用試驗設計方法獲得樣 本數據點； 步驟4:根據樣本數據點實驗結果，構造響應面模型，確定優化目標、約束條件與設計變 量的多項式響應面近似函數； 步驟5:利用遺傳算法進行包括選擇、交叉W及變異的遺傳運算，求解焊縫線位置參數 優化問題的最優解； 步驟6:由焊縫線位置參數優化的最優解得到拼焊板板料，代入沖壓成形有限元軟件中 進行計算，檢驗優化結果的精度。2. 如權利要求1所述，在步驟1中，按照設計拼焊件模型要求，焊縫線平面投影位置確定 焊縫線形狀位置及段數，進行仿真分析，在保證成形質量前提下，得到焊縫線最大位置偏差 同時為網格映射反求作基礎。3. 如權利要求1所述，在步驟2中，提取設計焊縫線并離散為點網格映射方法反求設計 焊縫線在板料上對應的初始極限位置，結合設計模型中焊縫線法向方向，確定焊縫線的段 數及極限區域。4. 如權利要求1所述，在步驟3中，反求出焊縫線極限位置，選擇合適的試驗設計方法， 正交實驗設計、拉下方試驗設計W及均勻試驗設計，獲得關于焊縫線在各個端點的位置樣 本數據點，數據點組合為不同的焊縫線形狀位置。5. 如權利要求1所述，在步驟4中，優化模型的優化目標為沖壓成形后產品部分焊縫線 實際位置與設計位置偏差的最大值，使最大位置偏差值最小；約束條件為沖壓成形基本質 量要求最大減薄率、最大增厚率符合無開裂、起皺缺陷要求，其中最大減薄率、最大增厚率 上下限通過仿真及板料材料性能參數確定;樣本數據點仿真結果擬合優化目標及約束條件 的多項式響應面模型，具體數據模型為：f優化目標為產品部分焊縫線最大值偏差的最小值;Wi為最大減薄率，Ri為最大增厚率； Amax表示成形后焊縫線實際位置與設計位置的偏差；i為系列樣本點對應序號;a,b表示為 保證良好成形無開裂的板料減薄率最小值、最大值;c、d表示為保證良好成形無起皺板料增 厚率最小值、最大值。6. 如權利要求1所述，在步驟5中，采用二次響應面模型構建樣本點設計變量與目標值 及最大減薄率、最大增厚率兩約束條件之間的響應面模型，利用遺傳算法進行包括選擇、交 叉W及變異等的遺傳運算，選擇合適的迭代次數求解最優結果即最大位置偏差最小時對應 的設計變量，得到最佳板料焊縫線形狀位置組合及焊縫線位置最大偏差達到最小。7. 如權利要求1-6所述，在步驟6中，新的板料組合代入有限元仿真軟件中，檢驗成形后 產品部分焊縫線最大位置偏差與優化結果。
【文檔編號】G06F17/50GK106096125SQ201610402251
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】龔志輝, 趙樹武, 韓磊, 鐘劍, 石建兵
【申請人】湖南大學