一种不等厚拼焊板焊缝线优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种可适用于基于网格映射和遗传算法对汽车拼焊板覆盖件板料焊缝线进行合理布置的工艺优化方法。该方法包括如下步骤，步骤一：建立仿真模型；步骤二：网格映射反求设计焊缝线在板料上初始极限位置；步骤三：确定设计方法获得样本数据点：步骤四：构造复合条件的响应面模型：步骤五：求解优化近似模型：步骤六：根据优化模型最优解组合进行仿真分析检验结果。同现有单纯依靠调整工艺参数控制焊缝线位置偏差及凭借人为经验设计板料焊缝线的生产方式相比，通过建立仿真模型、借助网格映射、结合实验对板料焊缝线形状位置进行工艺优化的方法，能提高拼焊板焊缝线冲压成形后的位置精度，改善成形性能。
【专利说明】
一种不等厚拼焊板焊缝线优化方法
技术领域
[0001] 本发明公开了一种可适用于基于网格映射和遗传算法对汽车拼焊板覆盖件板料 焊缝线进行合理布置的工艺优化方法。
【背景技术】
[0002] 激光拼焊技术可将不同材质不同厚度的钢板拼接成一张完整的冲压坯料，是实现 车身轻量化的重要途径之一，在车身冲压领域已获得广泛应用。在实际冲压生产过程中，平 板坯料上的焊缝线会随板料的塑性变形而出现形状和位置的变化，产生漂移，最终与产品 设计焊缝线产生偏差，因此在冲压过程中需要控制焊缝线的漂移，使之与设计焊缝线的位 置偏差在公差范围之内。目前控制焊缝线的漂移有两种方式，一种是通过工艺控制，调整拉 延筋约束力及坯料形状控制最终的焊缝线的形状和位置精度。由于拉延筋约束力及坯料形 状对冲压最终的质量会形成很大的影响，因此工艺控制焊缝的方法产生的实际效果是非常 有限的。另一种方法是在保证冲压件质量的前提下，通过调整坯料焊缝线的位置来控制最 终成形后焊缝线的漂移，这种方法非常有效，但目前都是通过经验预先大致确定坯料焊缝 线的位置，因此对成形后的焊缝线漂移控制精度没有保证。鉴于此，本发明提出了一种可适 用于基于网格映射和遗传算法对汽车拼焊板覆盖件板料焊缝线进行合理布置的工艺优化 方法，该方法结合冲压仿真计算、网格映射方法及遗传算法对焊缝线形状位置进行优化，得 到合理的板料组合，可以有效的提高成形后焊缝线的位置精度，保证成形质量，减少成形件 产生缺陷的风险。
【发明内容】
[0003] 本发明包含以下步骤：
[0004] 步骤1:初步按照传统方式确定板料焊缝线形状位置，针对拼焊板零件进行冲压成 形仿真分析；
[0005] 步骤2:设计符合冲压工艺要求的压料面和工艺补充面，将延长到工艺补充面积压 料面之上形成一条在拉延工艺模型上的完整焊缝线，提取拉延工艺模型上的完整焊缝线， 根据提取的完整的设计焊缝线利用网格映射方法反求焊缝线在板料上对应的初始极限位 置；
[0006] 步骤3:以反求焊缝线极限位置及设计焊缝线段数采用试验设计方法获得样本数 据点；
[0007] 步骤4:根据样本点实验结果，构造响应面模型，确定优化目标、约束条件与设计变 量的多项式响应面近似函数；
[0008] 步骤5:利用遗传算法进行包括选择、交叉以及变异的遗传运算，求解焊缝线位置 参数优化问题的最优解；
[0009] 步骤6:由焊缝线位置参数优化最优解得到拼焊板板料，代入冲压成形有限元软件 中进行计算，检验优化结果的精度。
[001 0]进一步，在步骤1中，按照设计拼焊件模型要求，焊缝线平面投影位置确定焊缝线 形状位置及段数，进行仿真分析，在保证成形质量前提下，得到焊缝线最大位置偏差同时为 网格映射反求作基础；
[0011] 进一步，在步骤2中，提取设计焊缝线并离散为点网格映射方法反求设计焊缝线在 板料上对应的初始极限位置，结合设计模型中焊缝线法向方向，确定焊缝线的段数及极限 区域。
[0012] 进一步，在步骤3中，反求出焊缝线极限位置，选择合适的试验设计方法，正交实验 设计、拉丁方试验设计以及均匀试验设计等，获得关于焊缝线在各个端点的位置样本数据 点，数据点组合为不同的焊缝线形状位置。
[0013] 进一步，在步骤4中，优化模型的优化目标为冲压成形后产品部分焊缝线实际位置 与设计位置偏差的最大值，使最大位置偏差值最小；约束条件为冲压成形基本质量要求最 大减薄率、最大增厚率符合无开裂、起皱缺陷要求，其中最大减薄率、最大增厚率上下限通 过仿真及板料材料性能参数确定;样本数据点仿真结果拟合优化目标及约束条件的多项式 响应面模型，具体数据模型为：
[0015] f优化目标为产品部分焊缝线最大值偏差的最小值;WiS最大减薄率，^为最大增 厚率；Amax表示成形后焊缝线实际位置与设计位置的偏差;i为系列样本点对应序号;a，b表 示为保证良好成形无开裂的板料减薄率最小值、最大值;c、d表示为保证良好成形无起皱板 料增厚率最小值、最大值；
[0016] 进一步，在步骤5中，采用二次响应面模型构建样本点设计变量与目标值及最大减 薄率、最大增厚率两约束条件之间的响应面模型，利用遗传算法进行包括选择、交叉以及变 异等的遗传运算，选择合适的迭代次数求解最优结果即最大位置偏差最小时对应的设计变 量，得到最佳板料焊缝线形状位置组合及焊缝线位置最大偏差达到最小。
[0017] 进一步，在步骤6中，新的板料组合代入有限元仿真软件中，检验成形后产品部分 焊缝线最大位置偏差与优化结果。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明方法的实施流程示意图。
[0019] 图2为提取产品模型焊缝线示意图。
[0020] 图3为网格映射方法反求板料焊缝线原始极限位置示意图。
[0021 ]图4为一段或多段焊缝线具体确定方式示意图。
[0022] 图5为仿汽车门板模型反求焊缝线系列样本点初始位置示意图。
[0023] 图6为传统方式与优化方法不同板料焊缝线仿真成形焊缝线位置偏差示意图。
[0024] 图7传统方式与优化方法板料焊缝线仿真分析与实物实验结果示意图表。
[0025] 图8传统方式与优化方法板料焊缝线实物实验结果示意图。
【具体实施方式】
[0026] 以下结合附图及具体实例对实施方式进行说明：
[0027] 图1为本发明方法的实施流程示意图。
[0028]图2为提取产品模型焊缝线示意图。拼焊板零部件产品设计模型将孔洞等处理后 补充压料面工艺补充面部分后总模型，提取包括产品部分的总焊缝线图2(a)，图2(b)为焊 缝线取点离散后节点。
[0029] 图3为网格映射方法反求板料焊缝线原始极限位置示意图。
[0030] 图4为一段或多段焊缝线具体确定方式示意图。根据反求出的焊缝线节点初始位 置，两极限端点在其初始法向方向组成一闭合区域，根据设计模型要求焊缝线段数可以确 定不同的焊缝线形状位置。图4(a)当设计模型及板料要求为以单段焊缝线时，根据网格映 射反求出焊缝线在板料上初始数个极限节点位置附，吧，似，在优化过程需要对最大极限位 置进行考量分析，故N2，N3两极限位置，选择在节点法向最大极限点即N2,此时N1、N2两点在 垂直于法向与原板料组成一闭合区域，两端位置的不同点组成不同的焊缝线和板料组合。 图4(b)当设计模型及板料要求为以多段焊缝线时，根据网格映射反求出焊缝线在板料上初 始数个极限节点位置附，吧，吧，需要分段考虑最极限位置。在附与呢之间及附和似之间，与 单段焊缝线选择类似，但在中间N1N1'线上须有共同节点连接组成易于生产操作的多段焊 缝线。
[0031] 图5为实施案例仿汽车门板模型反求焊缝线初始位置组合示意图。
[0032] 图6为实施案例传统方式与优化方法不同板料焊缝线仿真成形焊缝线位置偏差示 意图。在相同的条件下，传统方法设置焊缝线板仿真成形后，产品部分焊缝线位置偏差最大 值为15.22mm，优化方法确定焊缝线位置板料仿真成形后焊缝线位置偏差最大值为9.63mm。
[0033] 图7实施案例传统方式与优化方法板料焊缝线实物实验结果示意图。按照两种方 式分别进行实物实验，传统方式板料实物冲压成形后产品部分焊缝线最大位置偏差为 15.34mm，优化方法确定焊缝线板料实物冲压成形后产品部分焊缝线最大位置偏差为 9.45mm〇
[0034] 图8为实施案例传统方式与优化方法板料焊缝线仿真分析与实物实验结果示意图 表。
[0035] 案例实施
[0036]在本文中以焊缝线最终位置与设计位置最大偏差f为优化目标，最大增厚率R、最 小减薄率W为优化工艺参数约束条件控制板料成形过程中良好的成形性能，以焊缝线的两 端点位置xl、x2为设计变量来调节焊缝线在极限区域的不同形状位置，建立优化模型如下：
[0038] 根据材料力学性能参数及工程实际经验可以得出板料不出现开裂起皱等缺陷的 最大增厚率R、最小减薄率W的最大最小值。由网格映射方法反求焊缝线的极限区域可以确 定焊缝线两侧的极限位置。
[0039] 以传统方式板料及本方法优化确定的板料进行实物冲压实验，相应的工艺参数条 件下，得到冲压实物结果优化目标、约束条件与变量之间近似响应面模型。
[0040] 根据板料焊缝线位置变量与优化目标及约束条件之间的关系，在MATLAB软件中构 建三次响应面近似模型。
[0041 ]最大焊缝线位置偏差f响应面模型：
[0042] f = -8331 · 8+141 · 4xi+24 · 475x2-0 · 711χι2-0 · 42xix2+0 · 0396x22+
[0043] 0 · 001374χι3-0 · 000359x23+0 · 000478χι2Χ2+0 · 000886xix22 决定系数为 0 · 9535，调整 决定系数为0.9085。
[0044] 最大减薄率W响应面模型：
[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 决定系数0 · 956调 整决定系数0.9361。
[0047] 最大增厚率W响应面模型：
[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决定系数0 · 9145，调 整决定系数0.9032。
[0050] 由决定系数和调整决定系数数值可以得出结论，代理模型的拟合精度都较高，可 以满足预测精度的要求。
[0051] 利用遗传算法进行包括选择、交叉以及变异等的遗传运算。本次研究中，取种群大 小η = 30，经过循环迭代得到最终优化结果为：焊缝线两端点位置为xl = 168.5mm, x2 = 156mm，焊缝最大移动量为9.63mm，最大增厚率28.75 %，最大减薄率29.16%，可见优化结果 满足约束条件。将优化后的工艺参数代入冲压成形有限元软件Dynaform中进行计算得到 9.28_，可见优化结果的精度是比较高的。
[0052]按照两种方式分别进行实物实验，附图7中（a)传统方式板料实物冲压成形后产品 部分焊缝线最大位置偏差为15.34mm，（b)为优化方法确定焊缝线板料实物冲压成形后产品 部分焊缝线最大位置偏差为9.45mm。实物实验与仿真实验误差均在10%以内。仿真实验与 实物实验结果表明，在相同的压边力、拉延筋等工艺条件，零件部分无开裂和起皱的成形缺 陷的前提下，对确定的板料合理预先布置焊缝线的形状位置，可以有效减小焊缝线实际位 置和设计位置的偏差，改善模型中不同侧材料的分布与设计模型更加紊合，同时减小焊缝 线位置产生开裂的风险。
[0053]为了提高不等厚激光拼焊板焊缝线的位置精度问题，本发明提出一种基于网格映 射和遗传算法的不等厚拼焊板焊缝线优化方法，其特征在于采用以下步骤：
[0054]步骤1:初步按照传统方式确定板料焊缝线形状位置，针对拼焊板零件进行冲压成 形仿真分析；
[0055] 步骤2:设计符合冲压工艺要求的压料面和工艺补充面，将延长到工艺补充面积压 料面之上形成一条在拉延工艺模型上的完整焊缝线，提取拉延工艺模型上的完整焊缝线， 根据提取的完整的设计焊缝线利用网格映射方法反求焊缝线在板料上对应的初始极限位 置；
[0056] 步骤3:以反求焊缝线极限位置及设计焊缝线段数采用试验设计方法获得样本数 据点；
[0057] 步骤4:根据样本点实验结果，构造响应面模型，确定优化目标、约束条件与设计变 量的多项式响应面近似函数；
[0058] 步骤5:利用遗传算法进行包括选择、交叉以及变异等的遗传运算，求解焊缝线位 置参数优化问题的最优解；
[0059] 步骤6:由焊缝线位置参数优化最优解得到拼焊板板料，代入冲压成形有限元软件 中进行计算，检验优化结果的精度。
[0060] 本方法通过建立仿真模型借助网格映射、结合实验设计方法响应面模型对板料焊 缝线形状位置进行工艺优化方法，得到合理的板料组合，提高拼焊板焊缝线冲压成形后实 际位置与设计位置的精度，从而改善成形性能，为拼焊板焊缝线的工艺优化提供了一种实 际可行性和创新性的方法，对生产具有实际指导作用。
[0061] 以上所举实例仅为本发明的优选实例，凡是依本发明权利要求及发明说明书内容 所作的简单的等效变化与修饰，皆应属本发明专利覆盖的范围。
【主权项】
1. 一种不等厚拼焊板焊缝线优化方法，其特征在于采用W下步骤： 步骤1:初步按照传统方式确定板料焊缝线形状位置，针对拼焊板零件进行冲压成形仿 真分析； 步骤2:设计符合冲压工艺要求的压料面和工艺补充面，将延长到工艺补充面积压料面 之上形成一条在拉延工艺模型上的完整焊缝线，提取拉延工艺模型上的完整焊缝线，根据 提取的完整的设计焊缝线利用网格映射方法反求焊缝线在板料上对应的初始极限位置； 步骤3: W反求的焊缝的初始线极限位置及设计焊缝线段数采用试验设计方法获得样 本数据点； 步骤4:根据样本数据点实验结果，构造响应面模型，确定优化目标、约束条件与设计变 量的多项式响应面近似函数； 步骤5:利用遗传算法进行包括选择、交叉W及变异的遗传运算，求解焊缝线位置参数 优化问题的最优解； 步骤6:由焊缝线位置参数优化的最优解得到拼焊板板料，代入冲压成形有限元软件中 进行计算，检验优化结果的精度。2. 如权利要求1所述，在步骤1中，按照设计拼焊件模型要求，焊缝线平面投影位置确定 焊缝线形状位置及段数，进行仿真分析，在保证成形质量前提下，得到焊缝线最大位置偏差 同时为网格映射反求作基础。3. 如权利要求1所述，在步骤2中，提取设计焊缝线并离散为点网格映射方法反求设计 焊缝线在板料上对应的初始极限位置，结合设计模型中焊缝线法向方向，确定焊缝线的段 数及极限区域。4. 如权利要求1所述，在步骤3中，反求出焊缝线极限位置，选择合适的试验设计方法， 正交实验设计、拉下方试验设计W及均匀试验设计，获得关于焊缝线在各个端点的位置样 本数据点，数据点组合为不同的焊缝线形状位置。5. 如权利要求1所述，在步骤4中，优化模型的优化目标为冲压成形后产品部分焊缝线 实际位置与设计位置偏差的最大值，使最大位置偏差值最小；约束条件为冲压成形基本质 量要求最大减薄率、最大增厚率符合无开裂、起皱缺陷要求，其中最大减薄率、最大增厚率 上下限通过仿真及板料材料性能参数确定;样本数据点仿真结果拟合优化目标及约束条件 的多项式响应面模型，具体数据模型为：f优化目标为产品部分焊缝线最大值偏差的最小值;Wi为最大减薄率，Ri为最大增厚率； Amax表示成形后焊缝线实际位置与设计位置的偏差；i为系列样本点对应序号;a,b表示为 保证良好成形无开裂的板料减薄率最小值、最大值;c、d表示为保证良好成形无起皱板料增 厚率最小值、最大值。6. 如权利要求1所述，在步骤5中，采用二次响应面模型构建样本点设计变量与目标值 及最大减薄率、最大增厚率两约束条件之间的响应面模型，利用遗传算法进行包括选择、交 叉W及变异等的遗传运算，选择合适的迭代次数求解最优结果即最大位置偏差最小时对应 的设计变量，得到最佳板料焊缝线形状位置组合及焊缝线位置最大偏差达到最小。7. 如权利要求1-6所述，在步骤6中，新的板料组合代入有限元仿真软件中，检验成形后 产品部分焊缝线最大位置偏差与优化结果。
【文档编号】G06F17/50GK106096125SQ201610402251
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】龚志辉, 赵树武, 韩磊, 钟剑, 石建兵
【申请人】湖南大学