详情

原文传递基于几何和物理耦合的车身封闭件匹配方法及应用研究

论文题名：	基于几何和物理耦合的车身封闭件匹配方法及应用研究
关键词：	车身封闭件;匹配方法;焊接热效应;凸焊仿真;遗传算法
摘要：	车身封闭件与车身八大开口的匹配工艺处于装配流程最下游，其匹配质量的优劣不仅显著影响整车密封性和风噪声等车身使用功能，而且影响车型外观和市场竞争力。传统匹配过程主要考虑封闭件几何外形间的匹配调整，不能很好计入焊接热效应等物理过程对匹配的影响。同时，传统匹配优化模型主要采用基于梯度信息的寻优算法，难于有效地实现全局最优求解。为此，本文综合考虑匹配过程的多变量影响，开展基于几何和物理耦合的车身封闭件匹配方法及应用研究，旨在提高匹配质量和精度，支持车身设计制造水平的持续改进。针对车身匹配均匀度和平整度要求，首先系统地分析封闭件匹配主要影响因素引入ANOVA方法(方差分析法)确定影响几何匹配的主要设计变量；采用有限元仿真和多物理场耦合算法，分析确定封闭件匹配的非几何工艺变量。在此基础上，引入图像匹配中Hausdorff有向距离函数，建立综合考虑均匀度和平整度的车身封闭件匹配评价模型，进而面向匹配过程几何和物理耦合，建立计入焊接热效应的车身封闭件匹配优化模型；研究基于遗传算法的并行优化求解方法，最后通过车门匹配实例验证该方法的有效性。主要研究工作如下： (1)车身封闭件几何匹配影响因素分析针对实际车身制造中随机因素和系统因素相互交织，而引起偏差波动的复杂现象，将封闭件制造质量对匹配的影响细分为均值漂移和三类不同特征的波动(同批次波动、同批次首尾波动、不同批次波动)，并引入ANOVA方法(方差分析法)确定产生偏差波动的主要贡献因素。研究封闭件匹配调整方法，确定了综合考虑封闭件夹具特征构形的匹配夹具调整变量，为后续篇章进行匹配优化建模和设计变量选取奠定基础。 (2)基于多物理场耦合的封闭件铰链凸焊过程仿真焊接过程等物理因素对匹配有重要影响。然而，匹配凸焊工艺的封闭性、瞬时性和高度非线性等特征使传统研究方法遇到诸多障碍。为研究物理热效应影响下的封闭件匹配，针对凸焊过程多场耦合以及凸筋压溃过程大位移和大变形，通过直接耦合法和顺序增量耦合法交替迭代，实现了不同模块间节点温度场信息和几何体变形信息的实时传递。基于ANSYS-APDL建立了有限元平台分析环境下凸焊过程数值仿真模型，为后续篇章进行计入焊接装配热效应的匹配优化建立重要基础。 (3)车身封闭件匹配评价模型建立将车身封闭件与开口件匹配过程抽象为模板实体与目标实体的空间坐标映射，根据微分几何解析，将匹配过程分解为为间隙均匀度调整(Evenness)和型面平整度调整(Flushness)。前者对应于车身XZ平面的微分运动，后者对应于Y轴方向的平面移动和垂直于Y轴的翘曲或扭转。引入图像匹配技术，将封闭件类比于匹配模板，开口部分类比于匹配目标，在分析确定Hausdorff距离和传统匹配质量度量具有强线性相关的基础上，建立以空间Hausdorff有向距离为匹配准则的封闭件匹配评价模型和匹配优化函数，以满足匹配间隙均匀度和型面平整度的同步优化要求。 (4)计入焊接热效应的车身封闭件匹配优化焊接热效应等物理因素影响焊后匹配铰链位置控制参数，导致匹配铰链产生同轴度误差，进而影响匹配质量和精度。应用本文建立的焊接过程多场耦合有限元仿真方法，研究焊接热效应下匹配铰链位置偏差，确定车身封闭件匹配的物理影响因素。基于封闭件和开口件的实际关键测点确定实际匹配几何构形，引入空间Hausdorff有向距离作为匹配质量评价准则，建立计入焊接热效应影响的车身封闭件匹配优化模型和目标函数。基于遗传算法实现最优匹配变量的并行全局搜索，通过几何匹配补偿物理因素对匹配的影响，并进行匹配优化过程程序设计。 (5)案例研究及应用—某型车门匹配优化某型车门匹配质量影响整车使用功能和外观，导致客户满意度下降。针对该典型车身封闭件匹配案例，应用本文提出的基于几何和物理耦合的匹配优化方法，建立了匹配评价模型和优化目标函数。基于ANSYS多场耦合仿真获得了铰链焊后同轴度偏移量。应用遗传算法进行计入焊接热效应影响的车门匹配变量全局并行寻优，确定了优化后的匹配夹持调整，实现了该车门匹配间隙均匀度和型面平整度的提高。现场测量数据与分析计算结果相符，该型车门匹配实例研究及应用验证了本文方法的正确性和可行性。本文在充分吸收和借鉴前人成果基础上，对焊接热效应影响下车身封闭件匹配优化方法进行研究，并具体应用于某车门匹配实例。该方法不仅有助于实现车身设计制造质量的持续改进，而且对于提高飞机舱门与机体、船舱门盖等相应薄板类封闭件的匹配质量也有很好的参考作用。
作者：	朱文峰
专业：	车辆工程
导师：	林忠钦;来新民
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文