一种基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法，包括：建立包含多个焊点的初始焊接结构的有限元模型；在所述有限元模型中对所述初始焊接结构施加约束和载荷，得到各个焊点的受力情况；以所有焊点所受应力总和最小为优化目标，以各个焊点的贡献度值为设计变量，建立焊点排布的优化数学模型；根据各个焊点的贡献度值的大小确定对应焊点是否保留，得到优化后的焊点排布。本发明专利技术基于结构拓扑优化设计技术，使优化后各焊点受力分配均匀，在保证焊接结构动静态强度和刚度的条件下，有效减少焊点在承载过程中的失效，同时减少焊点的数目。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种汽车零部件加工领域，尤其设及一种基于焊点受力均匀化的焊点 排布优化方法。
技术介绍
电阻点焊是压力焊的一种，在汽车生产中应用最广泛，如车身结构、座椅骨架结构 等。在典型的车身结构中，通常含有3000~5000个焊点，焊点位置布置直接影响结构的静 动态强度和刚度，而焊点的数量会影响结构的焊接工艺复杂性。因此，在满足结构整体静动 态强度和刚度的条件下，对焊点位置进行合理的排布，尽可能减小焊点的数量和焊点在受 载情况下的失效，对提高焊接结构的性能，减少制造成本，具有重要意义。 目前一般采用经验设计方法进行焊接结构的焊点排布设计，通过校核结构的刚 度、疲劳等相关性能，进行修正，缺少合理有效的焊点排布设计方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方 法，能够使优化后的焊点排布形式中各焊点受力分配均匀，在保证焊接结构动静态强度和 刚度的条件下，有效减少焊点在承载过程中的失效，同时减少焊点的数目，降低焊接成本。 为实现上述技术效果，本专利技术公开了一种基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方 法，包括： 建立包含多个焊点的初始焊接结构的有限元模型； 在所述有限元模型中对所述初始焊接结构施加约束和载荷，得到各个焊点的受力 情况； W所有焊点所受应力总和最小为优化目标，W各个焊点的贡献度值X为设计变 量，建立公式（1)所示的焊点排布的优化数学模型； 化 Min完巧(文） 打 … 义J. 其中，η是焊点的数目；V为优化后焊点的体积；V。为优化前焊点的体积；V*为体 积分数；σi(x)是第i个焊点所受应力的大小； 根据各个焊点的贡献度值X的大小确定对应焊点是否保留，得到优化后的焊点排 布。 本专利技术进一步的改进在于，建立的初始焊接结构的有限元模型W壳单元模拟待焊 接的焊接件，W实体单元和杆单元的组合模拟焊点，并包含均匀分布的多个焊点。 本专利技术进一步的改进在于，建立包含多个焊点的初始焊接结构的有限元模型，包 括： W壳单元模拟初始焊接结构的待焊接的焊接件，所述壳单元包括一第一模拟板材 和一第二模拟板材； 将所述第一模拟板材与所述第二模拟板材搭接，形成搭接区域； W实体单元和杆单元的组合模拟焊点，在所述搭接区域内均匀分布多个焊点，用 于焊接所述第一模拟板材和所述第二模拟板材，形成初始焊接结构； 建立模拟所述初始焊接结构的有限元模型。 本专利技术进一步的改进在于，在将所述第一模拟板材与所述第二模拟板材搭接，形 成搭接区域时，通过于所述搭接区域的所述第一模拟板材或所述第二模拟板材上形成缕空 区域，在所述缕空区域W外的所述搭接区域内均匀分布多个所述焊点，形成模拟汽车座椅 椅背的初始焊接结构，建立模拟所述汽车座椅椅背的初始焊接结构的有限元模型。 本专利技术进一步的改进在于，所述缕空区域为平行的两条长方形区域，两条所述长 方形区域W外的所述搭接区域内均匀分布19个所述焊点。 本专利技术由于采用了W上技术方案，使其具有W下有益效果： 本专利技术提出一种基于结构拓扑优化设计技术的焊接结构焊点排布优化方法，W壳 单元模拟待焊接的焊接件，用实体单元和杆单元的组合模拟焊点，建立包含均匀分布的多 个焊点的焊接结构的有限元模型；W所有焊点所受应力总和最小为优化目标，W各个焊点 的贡献度值为设计变量，建立焊点排布的优化数学模型，W得到焊点均匀受力的结构；优化 后的焊点排布形式中各焊点受力分配均匀，且得到优化后的焊点排布能自动根据焊接结构 受载情况分布，在保证焊接结构动静态强度和刚度的条件下，有效减少焊点在承载过程中 的失效，同时减少焊点的数目，降低焊接成本。【附图说明】 图1是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的对比焊接结构的搭接 弯曲实验试样的示意图。 图2是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的对比焊接结构的搭接 弯曲实验试样的载荷位置分布示意图。 图3是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的对比焊接结构的搭接 弯曲实验试样变形示意图。 图4是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的实施例的焊点排布优 化有限元模型的示意图。 图5是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的实施例的优化后保留 的高密度焊点的分布示意图。 图6是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的实施例的焊点优化排 布后的焊接结构示意图。 图7是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的实施例的焊点排布优 化后的焊接结构变形示意图。 图8是本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的优化后与优化前焊点 数目与所受应力值的统计图。【具体实施方式】 下面结合附图及【具体实施方式】对本专利技术作进一步详细的说明。 本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法基于结构拓扑优化设计技术，目 的是使优化后的焊点排布形式中各焊点受力分配均匀，在保证焊接结构动静态强度和刚度 的条件下，有效减少焊点在承载过程中的失效，同时减少焊点的数目，降低焊接成本。 本专利技术基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法的主要设计思想包括： (1)建立包含多个焊点的初始焊接结构的有限元模型。 W壳单元模拟待焊接的焊接件，用实体单元和杆单元的组合模拟焊点，建立包含 较多均匀分布的焊点的初始焊接结构的有限元模型。 (2)对初始焊接结构进行有限元分析。 在建立的有限元模型中对上述初始焊接结构施加约束和载荷并进行求解，分析各 焊点的受力情况，及焊接件的变形。 (3)建立焊点排布的优化数学模型。 W与焊点相连接单元所受应力总和最小为优化目标（其中，与焊点相连接单元是 指在有限元模型中对应于该焊点的单元，因而，与焊点相连接单元的受力情况便代表了对 应焊点的受力情况），W各个焊点的贡献度值X为设计变量，建立公式（1)所示的焊点排布 的优化数学模型。{ 1 )： W40] 式中：η是焊点的数目；V为优化后焊点的体积；V。为优化前焊点的体积；V*为体 积分数；σi(x)是第i个焊点相连接单元所受应力的大小； 所建立的优化数学模型，W所有焊点所受的应力总和最小为优化目标，W得到焊 点均匀受力的结构。 (4)基于结构拓扑优化技术的寻优迭代。 采用变设计变量（贡献度值X)的方法对初始焊接结构的焊点进行排布优化，即通 过改变优化数学模型的设计变量（贡献度值X)，W寻优迭代的方式计算得到各个焊点的设 计变量（贡献度值X)对优化目标的贡献度，通过反复寻优迭代，得到各个焊点的贡献度值 X;再根据每个焊点的贡献度值X的大小确定该焊点是否保留，其中，当焊点的贡献度值X达 到一定标准值时，该焊点为高密度焊点，焊点的贡献度值X未达标的为低密度焊点。高密度 焊点对优化目标的贡献大，需要保留；而低密度焊点对优化目标的贡献较小，可删除。通过 反复寻优迭代，达到优化目的，W保留的高密度焊点的排布情况作为优化后的焊点排布，得 到优化后的焊点排布能自动根据焊接结构受载情况分布。 其中，各个焊点的设计变量对优化目标的贡献度是指各个焊点的设计变量的变化 量占优化目标的总变化量的比重，占比重较大的焊点的贡献度较大，对所有焊点所受应力 总和的影响较大，是主要承载焊点，需要保留；而占比重较小的焊点的贡献度较小，对所有 焊点所受应力总和的影响较小，是承载不大的焊点，可W删除。 W45] 妨结果分析和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法，其特征在于，包括：建立包含多个焊点的初始焊接结构的有限元模型；在所述有限元模型中对所述初始焊接结构施加约束和载荷，得到各个焊点的受力情况；以所有焊点所受应力总和最小为优化目标，以各个焊点的贡献度值x为设计变量，建立公式(1)所示的焊点排布的优化数学模型；MinΣi=1nσi(x)---(1)]]>s.t.V/V0<V*其中，n是焊点的数目；V为优化后焊点的体积；V0为优化前焊点的体积；V*为体积分数；σi(x)是第i个焊点所受应力的大小；根据各个焊点的贡献度值x的大小确定对应焊点是否保留，得到优化后的焊点排布。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐峰，丁晓红，朱大业，席堃，王海华，
申请(专利权)人：上海延锋江森座椅有限公司，上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31