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原文传递面向装配精度控制的车身结构概念设计优化方法研究

论文题名：	面向装配精度控制的车身结构概念设计优化方法研究
关键词：	汽车车身;装配精度;接头构型;装配顺序;尺寸链;优化算法;结构设计
摘要：	持续提高车身装配尺寸质量是保持汽车制造业核心竞争力的关键，在现有制造技术条件下，车身装配尺寸质量的进一步提高受到产品设计水平的瓶颈制约。传统的车身结构概念设计方法受设计信息不完备限制，设计人员主要依赖经验和主观的判断，缺乏对车身结构方案的尺寸质量评价的科学推理方法，只能以串行的工作模式、孤立地设计零件接头构型或进行装配顺序规划，这使得在后续阶段任何变化都会导致结构概念设计方案的大量修改。本文结合车身结构概念设计阶段产品信息的残缺性等特征，运用基于实例推理方法构筑并行的车身结构概念设计和分析流程，并从装配顺序、零件接头构型等影响车身装配尺寸质量的关键因素出发，开展相关支撑技术的研究，旨在通过综合考虑产品和工艺因素，深化对影响车身尺寸质量的设计要素的理解，将车身的结构概念设计过程程序化、科学化，进一步提高车身产品质量。研究的主要内容和创造性工作包括四个部分： (1)基于实例推理的车身结构概念设计为了改变以串行的工作模式、孤立地设计零件连接结构或进行装配顺序规划的传统设计方法的现状，根据车身关键的产品和工艺特征，首先建立了车身功能和关键特征的映射模型，以及概念设计阶段装配模型与可重用设计实例数据结构之间的关联关系，在此基础上，提出基于实例推理技术的可重用车身结构概念设计方法；为帮助构建实例数据库并解决产品和工艺知识提取困难，提出了可直接面向产品数模的基于STEP的装配关系提取算法；最后建立了层次性的实例数据索引机制和相应的实例提取混合算法，以形成面向装配精度控制的车身零件焊接接头和装配顺序的优化设计的初始设计方案。 (2)基于分总成识别的车身装配顺序规划技术在车身结构概念设计阶段，由于零件的详细几何结构信息不完备，传统的装配顺序规划技术无法应用；组合爆炸等问题依然困扰装配顺序生成过程。本文在实例库和用图论方法建立的装配模型基础上，通过研究零件连接结构的统计特征，引入表征零件及分总成结构偏差吸收能力的评价指数，形成了不同装配层次分总成的定性识别和提取方法，并应用于基于矩阵置换运算而实现的装配顺序生成过程，进一步缩小了顺序生成规模、提高了顺序生成效率。该研究将依靠经验的车身装配顺序规划过程变为依靠严密的数学推理的设计过程。 (3)面向柔性装配的三维尺寸链公差分析方法为了解决在车身概念设计阶段缺乏有效的公差分析手段的问题，实现对装配连接关系、装配顺序、定位方式等因素对车身装配精度的综合评价，提高分析精度，提出了面向柔性装配的三维尺寸链公差分析方法。该方法将零件的定位方式要素作为尺寸链中的零尺寸环加以分析；将车身零件装配关系提炼为具有定位作用和柔性偏差吸收作用的两种匹配特征关系，并利用图的路径搜索算法，建立装配尺寸链各组成环的自动生成算法。在此基础上，研究匹配特征的公差区域表达和定位要素的相互关系，通过两种匹配特征之间的空间变换关系，提出了表征零件装配公差传播的数学模型，并建立了完整的仿真算法。 (4)基于遗传算法的车身结构设计方案优化本研究将车身装配体结构设计方案的寻优过程归纳为多目标优化问题。利用设计实例知识库建立车身结构骨架模型，以此为基础提出了以接头形式为设计变量，装配顺序、尺寸链系统为约束条件、关键特征尺寸偏差相对于工艺能力的满足程度为优化目标的优化模型。采用遗传算法进行优化求解，有效地解决了顺序和接头类型的离散变量和全局优化问题。为了提高遗传算法的效率和结果的可信度，引入具有约束条件作用的知识模板，实现了车身结构设计知识在遗传算法中的应用。根据上述研究，开发了面向车身结构概念设计的工具软件原型，并在美国通用汽车公司北美研发中心的新车型设计中得到成功试用。总之，本研究提出和描述了面向概念设计的一系列车身结构装配精度优化计算方法和手段。首先通过基于实例推理技术建立并行结构设计分析方法，其次通过装配建模和分析技术帮助设计人员完成设计约束的施加和可行设计方案的生成，并提出了对设计方案进行量化评价和优化的方法，最后通过软件编程封装上述系统方法以实现面向装配精度控制的车身结构设计优化。
作者：	周江奇
专业：	车辆工程
导师：	陈关龙
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