一种车身焊点布置的非线性拓扑优化方法

摘要

本发明公开了一种车身焊点布置的非线性拓扑优化方法，建立整车碰撞仿真有限元模型，提交LS‑DYNA计算，输出碰撞性能重点关注节点位移值；建立白车身线性刚度仿真的有限元模型，提交GENESIS优化计算；碰撞模型和白车身模型中的有关焊点建模采用实体单元；采用等效静载方法将碰撞非线性工况转换为线性静态工况进行拓扑优化设计；将焊点设置为拓扑变量，将获得的焊点密度值更新到碰撞有限元模型中，并重新进行一轮碰撞仿真分析；最后对收敛结果进行后处理。本发明对实体焊点进行拓扑优化，满足各重要时刻碰撞性能的前提下实现车身焊点布置，确保车身焊点布置的合理性，避免冗余焊点布置，减少焊点数量，降低制造成本，提高生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于汽车车身焊点的优化设计技术领域，具体的说是涉及一种汽车碰撞仿真的焊点非线性拓扑优化方法。

背景技术

汽车车身的开发需要兼顾刚度、强度、碰撞安全等性能，汽车车身为焊接结构，有薄板冲压件通过焊接装配在一起。焊点的数量和布局对车身的结构性能与制造成本具有重要的影响。现有技术中传统车身的焊点总数在5000～6000个，焊点布置方案往往依据经验进行设计，但是依据经验进行设计可能导致一些区域的焊点数量过多，增加制造成本；亦或是另外一些区域的焊点数量过少，影响车身的结构性能。在车身开发过程中如果能够找到设计冗余的焊点以及影响性能较小的焊点对节省制造成本有很大意义。

此外，随着高强度钢板在车身上的应用越来越普遍，材料刚性相比于传统低碳钢有很大提升。若仍然采用传统的低碳钢条件下按照30-40mm间隔布置焊点会过于保守。对照欧美和日本的车身焊点数量和布置，一款A级别车身焊点总数将达到4000～4800个，且焊点间距约为50-70mm。由于缺乏理论技术方法和丰富的实践经验，我国各大主机厂在车身开发方面仍选择保守焊点布置，但对于能够有效指导焊点布置的方法确有着非常迫切的需求。

有限元仿真分析与优化技术目前广泛应用于对车身结构性能进行虚拟评估与改进设计。也可以通过有限元分析找出设计冗余的焊点或承载能力不足的区域，对冗余焊点进行删减，并增加承载能力不足区域的焊点，使得焊点的布置得到合理优化，既可以满足车身性能又能够降低制造成本。其主要思路是将焊点定义为ACM实体单元，通过实体单元的拓扑优化实现在满足车身结构性能前提下的焊点布置的拓扑优化设计。拓扑优化算法基本采用变密度法，将每个单元的材料密度作为设计变量，若密度为0或接近于0，说明该焊点单元属于冗余设计，可以进行适当删减；反之若密度为1或接近于1，表明该焊点对结构性能的贡献量很大。

值得一提的是，目前这类焊点布置的拓扑优化方法仅适用于线性工况，如车身刚度和模态性能。例如我国发明专利：CN201410214771专利号的专利《车身B柱焊点布置优化方法》也只能实现刚度和模态条件下的车身B柱焊点布置的线性拓扑优化。B柱作为车身重要零件，不仅要求满足基本的刚度和模态性能，更重要的是能够确保汽车在受到侧面碰撞情况下B柱有足够的强度来抵抗变形，保护乘员安全。以此类推，整车车身结构需要有足够的刚度和强度来抵抗来自正面、侧面、后面以及顶部的碰撞，而焊点的布置对于碰撞性能的影响也很大。

车身焊点布置除考虑线性刚度和模态要求外，还需要兼顾不同形式的碰撞性能。与刚度和模态有限元仿真的线性分析工况不同，碰撞仿真属于与时间相关联的非线性工况。针对碰撞非线性优化问题，目前广泛采用试验与设计相结合的响应面方法来实现优化，但主要适用于车身结构的厚度、形状等参数的优化，并不适合数量大、且分布不规则的焊点布置优化。

等效静载方法是由韩国汉阳大学的Park教授提出，将非线性分析在时间点上进行离散，获得各离散点（时刻）下节点的位移，通过刚度矩阵和节点位移矩阵计算得到对应离散点下的线性模型的受力情况，以此将非线性工况下的瞬态作用力等效为线性工况下的静态载荷，进而可以实现线性工况下的优化设计。优化迭代收敛后将设计变量更新到非线性模型中，通过非线性分析更新等效载荷值，循环迭代直至达到优化设计要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，针对目前汽车车身焊点布置无法考虑到碰撞非线性工况的问题，提出一种基于等效静载理论的车身焊点非线性拓扑优化方法，其将碰撞载荷力等效或映射到线性优化模型中进行焊点拓扑优化设计，指导焊点布置优化，甄别重要焊点和非重要焊点，实现车身焊点的最佳布置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种车身焊点布置的非线性拓扑优化方法，该拓扑优化方法包括如下步骤：

a、首先建立整车碰撞仿真有限元模型，提交LS-DYNA计算，输出碰撞性能重点关注的节点位移值，作为后续优化设计的约束参考；b、建立白车身线性刚度仿真的有限元模型，提交GENESIS优化计算，确保模型的准确性；c、碰撞模型和白车身模型中的有关焊点建模均采用实体单元，且实体单元各个节点的坐标位置保持一致；d、采用等效静载方法将碰撞非线性工况转换为线性静态工况进行拓扑优化设计；e、将焊点设置为拓扑变量，以焊点质量最小化为目标函数，约束函数设置为步骤d中所有等效载荷工况下的某些节点位移值不超过设计值，通过GENESIS实现焊点拓扑优化设计；f、将步骤e中通过拓扑优化设计获得的焊点密度值更新到碰撞有限元模型中，并重新进行一轮碰撞仿真分析，获得各时刻下更新的等效静载工况；g、迭代迅仿步骤e-f，直至满足优化设计定义的收敛准则位置；h、最后对收敛结果进行后处理。

步骤d中的等效静载方法具体为：首先利用GENESIS计算白车身模型的刚度矩阵K，然后自动提交碰撞模型给LS-DYNA软件进行计算，计算整车或白车身所属节点在某一时刻的位移值矩阵D，利用刚度矩阵K和节点位移值D获得白车身线性模型中各节点的外部加载力，最终获得单一时刻下的白车身线性静态分析模型；循环重复并将所关心的多个时刻下的碰撞响应通过等效静载方式转换为线性分析模型，只需要确保等效的时刻足够多，即可实现碰撞工况的整体力学性能转换。

在步骤e中，碰撞工况至线性工况的白车身边界约束使用惯性释放技术实现。步骤h中的后处理步骤具体为：若焊点实体单元的密度为1,则为重要单元，不予删除；若焊点实体单元的密度为0，则为不重要单元，能够删除；同时选择一个密度阈值，如0.3，低于0.3以下的实体焊点单元为非重要焊点，能够在后续碰撞仿真验证中进行适当删除并校核碰撞性能差异。

本发明的有益效果是：本发明中的车身焊点布置的非线性拓扑优化方法主要利用等效静载理论将碰撞非线性工况的力载荷转换为线性静态工况，对实体焊点进行拓扑优化，在满足各重要时刻碰撞性能的前提下实现车身焊点布置。本发明中的非线性拓扑优化方法首次将非线性碰撞集成到焊点拓扑优化中，确保车身焊点布置的合理性，避免冗余焊点布置，减少焊点数量，降低制造成本，并且提高生产效率。采用本发明方法的整个优化过程将碰撞非线性工况考虑到焊点布置方面，使得焊点布置方案更加合理可靠。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步描述。

一种车身焊点布置的非线性拓扑优化方法，该拓扑优化方法包括如下步骤：a、首先建立整车碰撞仿真有限元模型，提交LS-DYNA计算，输出碰撞性能重点关注的节点位移值，作为后续优化设计的约束参考；b、建立白车身线性刚度仿真的有限元模型，提交GENESIS优化计算，确保模型的准确性；c、碰撞模型和白车身模型中的有关焊点建模均采用实体单元，且实体单元各个节点的坐标位置保持一致；d、采用等效静载方法将碰撞非线性工况转换为线性静态工况进行拓扑优化设计；e、将焊点设置为拓扑变量，以焊点质量最小化为目标函数，约束函数设置为步骤d中所有等效载荷工况下的某些节点位移值不超过设计值，通过GENESIS实现焊点拓扑优化设计；f、将步骤e中通过拓扑优化设计获得的焊点密度值更新到碰撞有限元模型中，并重新进行一轮碰撞仿真分析，获得各时刻下更新的等效静载工况；g、迭代迅仿步骤e-f，直至满足优化设计定义的收敛准则位置；h、最后对收敛结果进行后处理。

步骤d中的等效静载方法具体为：首先利用GENESIS计算白车身模型的刚度矩阵K，然后自动提交碰撞模型给LS-DYNA软件进行计算，计算整车或白车身所属节点在某一时刻的位移值矩阵D，利用刚度矩阵K和节点位移值D获得白车身线性模型中各节点的外部加载力，最终获得单一时刻下的白车身线性静态分析模型；循环重复并将所关心的多个时刻下的碰撞响应通过等效静载方式转换为线性分析模型，只需要确保等效的时刻足够多，即可实现碰撞工况的整体力学性能转换。

在步骤e中，碰撞工况至线性工况的白车身边界约束使用惯性释放技术实现。步骤h中的后处理步骤具体为：若焊点实体单元的密度为1,则为重要单元，不予删除；若焊点实体单元的密度为0，则为不重要单元，能够删除；同时选择一个密度阈值，如0.3，低于0.3以下的实体焊点单元为非重要焊点，能够在后续碰撞仿真验证中进行适当删除并校核碰撞性能差异。

实施例：拟优化问题：前纵梁碰撞工况在保证质量不增加的前提下实现焊点最佳布置，剔除现有模型中的冗余焊点，要求前纵梁在10ms和20ms时刻三个节点的X向变形量不超过设计值。

a、定义前纵梁正碰碰撞模型，即前纵梁以一定初速速度撞击刚性墙；为说明简便线性模型也直接选择前纵梁模型，焊点单元采用实体单元进行定义；

b、采用等效静载理论将碰撞10ms和20ms时刻碰撞模型的所有节点位移值输出形成位移矩阵，结合前纵梁模型单元的刚度矩阵，可以计算获得10ms和20ms线性工况下各个节点的外力加载值；

c、利用惯性释放技术实现前纵梁碰撞边界约束的自平衡，定义实体焊点单元为拓扑设计变量，节点1-3在10ms和20ms的位移值小于设定值，设置焊点质量最小化为目标函数；通过50次GENESIS迭代和10次LS-DYNA循环优化，最终获得满足收敛准则或约束条件的结果；

d、后处理中颜色为灰色的实体单元即单元密度小于0.3，属于冗余焊点，可以删除；再可以根据实际情况进行焊点重新布置优化，即非重要焊点单元可以删除，并重新布置局部焊点间距。整个优化过程将碰撞非线性工况考虑到焊点布置方面，使得焊点布置方案更加合理可靠。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。