（车辆工程专业论文）基于几何和物理耦合的车身封闭件匹配方法及应用研究.pdfVIP

基于几何和物理耦合的车身封闭件匹配方法及应用研究 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a n o v a 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h a u s d o r f f 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，将参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a n o v a 方法( 方 差分析法卜糟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，实现了不同模块问节点温度 场信息和几何体变形信息的实时传递。基于a n s y s a p d l 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。 上海交通大学博士学位论文 ( 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( e v e n n e s s ) 和型面平整度调整( f l u s h n e s s ) 。前者对应于车身_ ) i f z 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】，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h a u s d o r 矿距 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h a u s d o r f f 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h a u s d o r f f 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 ) 案例研究及应用一某型车门匹配优化 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a n s y s 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。 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 i i a b s t r a c t s t u d yo no p t i m a lm e t h o df o ra u t o b o d y c l o s u r ep a n e l sf i t t i n gb a s e do ng e o m e t r i c a l a n dp l i y s i c a lt h e r m a le f f e c t s p a n e lh a n g i n ga n df i t t i n gp r o c e s sl i e so nt h eu t m o s td o w n s t r e a mo fa u t o b o d y a s s e m b l yo p e r a t i o n s i tf i t st h ec l o s u r ep a n e l sw i t hb i w se i g h to p e n i n g s t h ef i t t i n g q u a l i t i t yh a sd i r e c te f f e c t so nd i m e n s i o n a li n t e g r i t ya n dq u a l i t y i ta l s oa f f e c t st h e v e h i c l e sa n e s t h e t i cv a l u e t r a d i t i o n a lm e t h o dc o n c e r n so n l yt h eg e o m e t r i c a le f f e c t ， w h i c hc a n n o tt a k ei n t oa c c o u n tt h ep h y s i c a lt h e r m a le f f e c t i nt h em e a n t i m e ，t h e t r a d i t i o n a lf i t t i n go p t i m a ls e a r c hm e t h o di sb a s e do ng r a d i e n ti n f o r m a t i o n , w h i c hi s d i f f i c u l tf o rg l o b a lo p t i m i z a t i o n a i m i n g 砒t h ei m p o r t a n c eo fp a n e lf i t t i n gp r o c e s s s t u d yo no p t i m a lm e t h o df o ra u t o - b o d yc l o s u r ep a n e l sf i t t i n gb a s e do ng e o m e t r i c a l a n dp h y s i c a lt h e r m a le f f e c t sa r er e s e a r c h e d d e t a i l e d l ya n ds y s t e m a t i c a l l y f o c u s i n go ni m p r o v e m e n to fp a n e lf i t t i n ge v e n n e s sa n df l u s h n e s s ，a n a l y s i so f m a i nf a c t o r sf o rp a n e lg e o m e t r i c a lf i t t i n gh a sb e e np e r f o n n e du s i n ga n o v am e t h o d a n dg e o m e t r i c a lf i t t i n gv a r i a b l e sa r ed e f i n e d b y u s i n gf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ， c o d ea n s y sa n di t sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ( a p d l ) am u l t i - p h y s i c a lc o u p l e d f em o d e la n ds i m u l a t i o nf l o w c h a r tf o ra u t o b o d yp r o j e e t i o nw e l d i n gi sp r e s e n t e do n b a s i so fd i r e c tc o u p l em e t h o da n ds e q u e n t i a li n c r e m e n t a lc o u p l e dm e t h o di n t e r a c t i o n ， t h u sd e f i n i n gt h en o n - g e o m e t r i c a lf i t t i n gv a r i a b l e s b a s e do nt h e s er e s u l t s ，a u t o - b o d y c o m p l e xp a n e lf i t t i n ge v a l u t i o nm o d e li sb u i l tb yi n t r o d u c i n gh a u s d r o f fd i r e c t e d d i s t a n c ef r o mr e s e a r c hf i e l do fi m a g ef i t t i n gt e c h n o l o g y af u r t h e ro p t i m a lm o d e la n d o p t i m i z a t i o nm e t h o df o ra u t o b o d yc l o s u r ep a n e l sf i t t i n gb a s e do ng e o m e t r i c a la n d p h y s i c a lt h e r m a le f f e c t si sb u i l ta n dg a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) i su t i l i z e d f o rg l o b a l o p t i m i z a t i o no ff i t t i n gv a r i a b l e s a n dt h ea m o u n to fa d j u s t m e n ti sc a l c u l a t e db a s e do n p a r a m e t r i c a lm o d e l e dl o c a ls u r f a c ef e a t u r e so f t h ef i x t u r ea n dd o o rw i t ht h ea t t e m p tt o f u r t h e ri m p r o v ea u t o - b o d yp a n e lf i t t i n gq u a l i t ya n da c c u r a c y t of u l f i l lt h ea b o v e r e s e a r c ho b j e c t i v e s ，t h ef o l l o w i n gf i v ea s p e c t so f e f f o r t so r ep e r f o r m e d ： ( 1 ) a n a l y s i so fg e o m e t r i c a lv a r i a t i o ne f f e c t so np a n e lf i t t i n gq u a l i t y f o c u s i n go np a n e lf i t t i n gs i t u a t i o n ，v a r i a t i o ns o n r c e $ a r ea s s o r t e di n t o f o u r c a t e g o r i e sa n d e f f e c t so fm a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l yv a r i a t i o na r ef u r t h e rr e s e a r c h e d d e t a l l e d l y a st om a n u f a c t u r i n gv a r i a t i o n ，i tc a nb ed e c o m p o s e di n t op r o d u c t i o nm e a n s h i f t ，p a r t - t o p a r tv a r i a t i o n ，w i t h i n b a t c hv a r i a t i o na n db a t c h - t o - b a t c h v a r i a t i o n i i i 圭塑茎塑奎竺墨主兰堡垒兰 a n o v a b a s e dm e t h o ds h o w st h a tt h ef i r s ta n dt h i r dv a r i a t i o n sa r et h em a i nf a c t o r s a n dt h et h i r di sl e s si m p o r t a n t a st oa s s e m b l y v a r i a t i o no np a n e lf i t t i n g ，t h ea m o u n to f a d j u s t m e n ts h o u l db ec a l c u l a t e db a s e do np a r a m e t r i c a l l ym o d e l e dl o c a ls u r f a c e f e a t u r e so ft h ef i x t u r ea n dt h ed o o r , b e c a u s et h ea s s u m p t i o no fi r r e l e v a n c ew i l lb e i n a d e q u a t ei ft h el o c a lf e a t u r eo fl o c a t o ri sn o tp e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no fp a r t m o v e m e n t a n dt h es t e p sa n df l o w c h a r tf o rc a l c u l a t i n gt h ea m o u n to f a d j u s t m e n ta r e p r e s e n t e di no r d e rt og e to p t i m a lp a n e lf i r i n gw i t hs y s t e m a t i cf i x t u r ea d j u s t m e n t ( 2 ) m u l t i 。p h y s i c a lf i e l dc o u p l e ds i m u l a t i o no fp a n e lf i t t i n gp r o j e c t i o nw e l d i n g w e l d i n gt h e r m a le f f e c t sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nf i t t i n gq u a l i t y h o w e v e r , p a n e l - f i r i n gp r o j e c t i o nw e l d i n gi sv e r yc o m p l e x ，w h i c hi n v o l v e sp h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a n g e m o r e o v e r , t h i sp r o c e s si si n v i s i b l ea n di n s l a n p a n e o u s w h i c hm a k e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha l m o s ti m p o s s i b l e i no r d e rt or e s e a r c ht h ek e yi n f l u e n c eo f w e l d i n gt h e r m a le f f e c to np a n e lf i t t i n gq u a l i t y , a n dw i t ht h eb a s i so fr s w ( r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g ) f e as i m u l a t i o n ，a na n s y s b a s e dm u l t i - p h y s i c a lf i e l dc o u p l e d s i m u l a t i o nm o d e lf o r p r o j e c t i o nw e l d i n ga n da p d l - b a s e d ( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ) r e - e x p l o r ea l g o r i t h ma r ep r o p o s e d b yu s i n gt h ed i r e c tc o u p l e m e t h o da n ds e q u e n t i a li n c r e m e n t a lc o u p l e dm e t h o di n t e r a c t i o n ，i tt r a n s l a t e sa n d u p d a t e sk e ys i m u l a t i o ni n f o r m a t i o nl i k et h en o d et e m p e r a t u r ea n dg e o m e t r i c a l d e f o r m a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ta n s y s u n i t m o d u l e s ，s oa st os o l v et h ep r o b l e mo f l a r g ed e f o r m a t i o na n dh i g h l yd i s t o r t i o nd u r i n gp r o j e c t i o nc o l l a p s ep e r i o d ( 3 ) m o d e lb u i l d i n ga n da n a l y s i sf o ra u t o b o d yc l o s u r ep a n e lf i t t i n g b a s e do nf o r m e rr e s e a r c h e s ，m a t h e m a t i c a lf o r m a l i z a t i o no fp a n e lf i r i n gi s p r e s e n t e d a n di t sc o m p a r i s o nb e t w e e na n dt r a d i t i o n a l p e g - i n h o l ec o m p l i a n c e a s s e m b l yi sa n a l y z e d t h ea d j u s tm o t i o nf o rg a p sa n df l u s h n e s si ss m a l lc o m p a r e d w i t it h ed i m e n s i o no fd o o rp a n e l s a r e rs y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ed i f f e r e n t i a l a d j u s t i n gm o t i o n si m p a c to nt h ev a r i a t i o no fp a n e lf i t t i n gq u a l i t y , i ti sd i s c o m p o s e d i n t og a pa d j u s t m e n ta n df l u s h n e s sa d j u s t m e n t t h ef o r m e rc a l lb ef u r t h e rd e c o m p o s e d i n t oad i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m a t i o nt h a ti sm a d eu pf r o mad i f f e r e n t i a lt r a n s l a t i o na n d d i f f e r e n t i a lr o t a t i o n b yi n t r o d u c i n gh a u s d o r f fd i r e c t e dd i s t a n c ef r o mi m a g em a t c h t e c h n o l o g y , an e wm o d e lf o ra u t o - b o d yc l o s u r ep a n e lf i t t i n gi no r d e rt op r e s e n tm o r e s i m i l a r i t yb e t w e e np r o f i l eo ft h et w om a t c h e do b j e c t e dw h e nc o m p a r i n gd o o rp a n e l s t ot e m p l a t e sa n dd o o ro p e n i n gt oi m a g e r e 触e dt oa u t o b o d yp a n e lf i r i n gr e a l i t y , a g e n e r a l3 df i r i n gm o d e li sp r e s e n t e da n dan e wf i r i n gm o d e la n do b j e c t i v ef i m c t i o m t h a tu s i n gh a u s d o r f f d i s t a n c ea sf i t t i n gq u a l i t ym e t r i ci sp r e s e n t e d ( 4 ) f i t t i n go p t i m i z a t i o nb a s e do ng e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lt h e r m a le f f e c t s w e l d i n gt h e r m a le f f e c tb r i n g sa b o u tg e o m e t r i c a ll o c a t i o nv a r i a t i o no f h i n g ea x i s ， w h i c hr e s u l t i n gi n t ou n - c o a x i a l i t yo fu p p e ra n dl o w e ra u t o - d o o rh i n g ea n dh a v i n g g r e a te f f e c t so np a n e lf i t t i n gq u a l i t y b yu s i n gt h ea b o v e - m e n t i o n e df e as i m u l a t i o n m o d e la n dm e t h o do na u t o - d o o r su p p e ra n dl o w e rh i n g e s ，t h eg e o m e t r i c a ll o c a t i o n v a r i a t i o no fh i g ha s s e m b l yc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sh a v eb e e ng o t ，t h u s g e t t i n gt h eg e o m e t r i c a li o c a t i o nv a r i a t i o no fe e n t e r l i n eo ft h e s et w oh i n g e s b a s e do n t h e s er e s u l t s ，t h eg e o m e t r i c a ll o c a t i o no fk e yc h e c k p o i n t sf o rp a n e lf i r i n gc a nb e c a l c u l a t e db yh o m o g o n o u st r a n s f o r m a t i o n ，w h i c hc o m b i n gt h ei n f l u e n c eo f w e l d i n g t h e r m a le f f e c t t h eh a u s d o r f fd i r e c t e dd i s t a n c ea sm e n t i o n e da b o v ei su s e da sf i r i n g q u a l i t yi n d e xt ob u i l dp a n e lf i t t i n gm o d e la n df i t n e s so b j e c t i v ef u n c t i o n ，w h i c h c o m b i n i n gt h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gt h e r m a le f f e c t c o n s i d e r i n gt h ep a n e l f i r i n g m o d e la n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h r n ，g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) i su s e dt op e r f o r mq u i c k a n dc o n c u r r e n ts e a r c ho fg l o b a lo p t i m a lp a n e lf i r i n gv a r i a b l e s a n dm a t l a b - b a s e d g ac o d ea n di n t e r f a c ea r ed e s i g n e da n dp r o g r a m m e d ( 5 ) c a s es t u d ya n da p p l i c a t i o n ：o p t i m a ld o o rf i t t i n g t h e r ee x i s t sa u t o d o o rf i r i n gp r o b l e mo nc e r t a i na u t oc o m p a n y t h ep r o p o s e d o p t i m a lp a n e lf i r i n gm e t h o d i sa p p l i e do nt h i sr e a lc a s es t u d y t i l ep r o j e c t i o nw e l d i n g a s s e m b l yf o ra u t o , d o o rh i n g e i ss i m u l a t e du s i n gt h e p r e s e n t e da n s y s - b a s e d m u l t i p h y s i c a lf i e l dc o u p l e ds i m u l a t i o nm e t h o d t h eo p t i m a la u t o d o o rf i t t i n gm o d e l a n df i t n e s so b j e c t i v ef u n c t i o na r eb u i l ts y s t e m a t i c a l l y t h ec o m p a r a t i v em e a s u r e m e n t o fk e yc h e c k p o i n t sf o ra u t o d o o rg a pe v e m l e s ss h o wt h a tt h ep r o p o s e do p t i m a l m e t h o df o rp a n e lf i t t i n gb a s e do ng e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lt h e r m a le f f e c tc a nr e a l i z e f u r t h e ri m p r o v e m e n to f a u t o b o d yp a n e lf i t t i n gq u a l i t ya n dp r e c i s i o n b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds o m en e c e s s a r ye x p e r i m e n t sv a l i d a t i o n , t h i s d i s s e r t a t i o np r o p o s e das y s t e m a t i ca n dd e t a i l e ds t u d yo no p t i m a lm e t h o df o rp a n e l f i t t i n gb a s e do ng e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lt h e r m a i tw i l lc o n t r i b u t et on o to n l yt h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fa u t o - b o d yd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，b u ta l s ot h e s i g n i f i c a n tm e a n i n g si nt h es i m i l a ra i r p l a n ed o o rp a n e lf i r i n ga n ds h i pb o d ya s s e m b l y a l li na l l ，t h er e s e a r c hf r u i t si nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v et h e o r ya n dp r a c t i c es i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：a u t o - h o d yc l o s u r ep a n e l ，f i t t i n gm o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n ， w e l d i n gt h e r m a le f f e c t ，p r o j e e t i o nw e l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， g e n e t i ca l g o r i t h m v 上海交通大学学位论文答辩决议书 请者0 朱文蟮 n 行酝事秆弋丐亚门厂车辆工程 文题目f 基于几何和物锺福否两军爵爵两雨匾丽万i l 汲应用研究 答辩日期82 0 0 5 - 1 卜0 5 磊磊_ p 交通鬈尚警车身制造 答辩委员会成员 担任职务0 姓名l l 职幕蕃 厂1 稀t 噼诬0 备注 l l 签名 主席0 钟廷修1 教授_ l 旺海爻通r 天学 无 委员i l 刘海江0 教授l 晌济天孚 无 员郑松林0 教授 i 工海疆工大学 无 员j | 杨建国l | 教授f | 东华大学无 委员 l 【姚振强i 教授l i 上海交通大学 无 委员i f 朱平i i 教授址卜海交通大学无 委员i 林忠钦l l 教授l i 上海交通大学无 评语和决议 传统1 - 身封川什匹配i 婴考虑儿m 外形问的i 坦配i j 7 8 略不能 很好计入焊接热效应等物聪过转! 对雌配的影i | 融唧b j ，传统旺配 优化棋l 诅主要采“；i 基1 ：梯j 辽信息的刁优锋浊、难j - f i j , d ：j 虹实现令 局最优求解。针对此闷题束文峥博 。论文i f l i 向下埘洲0 州e e 配 均匀度年下整度的质茸要求，提出捺r 儿州午物删枷旧阻配方 法，井解决了宾际，j 二产问题。奉州宄埘j 提幽乍豺 髓睫悔越戤檄融矿 3 ) 激照热黪雌系数_ l _ k p x j l 何模型投雠格划分 i ) 凡僧梗越馥谶 f 2 ) 喇崭鞋义、韵l 舟缎化 o ) 网精接触单葡生硪 i ；l i 搬载衙施加 t t ) 表面辫奄鼗旖p 刚璐 ( 2 ) 电撮j 蘸蛐约泉u x t r r 1 3 ) 电拯翱蕊约粜l 预艨阶段求解遣颂 ( i ) 时间步嵌设置 ( 2 1 大麻变蕺应封汗 1 3 n r 连弼i 设置 ( 4 ) 接触区域剐度_ i 5 l = 爱 韧始预雁信息输m ( 1 ) 碗蕊几何熊形待患 ( 2 ) 接触馘域半径 ，) 接触k 域艇力分布 刘护獬鼢隧涮结籍；葬列隧 瀵鍪甄穗瀵然黼潮燃搭冀纛黼嚣鬻 蠢：麓潋溱纛鲞霞羹鏊戮蔡 封 有限尊廷选拌 黪 浏 有限謦藏选撵 | | l 习( i ) 龟热单元，一曲e 6 7 鬻： ：疆( 1 ) 电热单元；p l m e l 2 鬟 麓( 2 ) 梭齄聃露 c o a m l 7 1 隧 i j ( 2 ) 接妊雅元；c o n t a l ? 2 隧 翟( 3 ) h 标魄元：f n r g e l 6 9 慝 ”_ ( 3 ) h 标母此：t a l - g e l f l 9l 萋 瓣j 辫符删# 靠摧麟制一一，* i ；望j 。f 。p 一， l j l 蠹；翁黼黼熏溢篷盔蕊瓣妻 糨荚籍料鹪诬捐关拱科擒性 ( 1 ) 热传导率k ) 。( ( i ) 溢随性弹性模攮囊 ( 曲电龇事 谊) 掘雕萄暇撮般 ( 3 ) 接触电研犁e c c ( 3 ) 溜随性热蟛酿系数 誉 ( 4 ) 接触热导宰t c c ( 4 ) 獬度 蘩 等豫比热存 ? 毒誊、誓，蒸o 一譬一， 鋈模块内藕合臻瞎隧溺摸块内耦台辩獬l 翔 图3 - 6 电阻凸焊多物理场耦合有限元分析流程 f i 醪- 6p r o j e c t i o nw e l d i n gm u l t i - p h y s i c a lf i e l dc o u p l e da n a l y s i sp r o c e d u r e s 4 3 上海交通大学博士学位论文 3 3 3 迭代步长对耦合仿真的影响 在电热直接耦合分析中，三对接触区域( 上电极与被焊工件i 接触、被焊工 件间接触、被焊工件i i 与下电极接触) 的接触电阻率需要在a n s y s 的接触向导 中给定具体数值。本文的计算公式依据参考文献【8 1 】中给出。 根据车身用低碳钢的熔点为1 4 8 0 。c 及凸焊工艺现场经验，设定公式中的接 触对i ( 被焊工件间接触) 和接触对i i 和i i i ( 工件与电极间接触) 的最高温度分 别为1 5 0 0 度和5 0 0 度。并且在接触对i 的接触半径值t s 要小于在接触对i i 和 i i i 的t s 值。这主要是考虑到循环水对电极和焊接过程的冷却作用。文献中没有 考虑冷却水，而本文在定义边界条件时候考虑了对流条件，因此选用较小t s 值。 在进行基于多场参数传递的耦合分析中，参数传递更新的周期步长对于求解 过程的收敛性有重要影响。周期过长，则电热直接耦合过程的温度升高过大，传 动结构场中将因为材料温随性能变化过快导致网格突发剧烈变形，并直接导致计 算过程不收敛：如果周期过短，温度升高幅度过小，没有反映真实通电焊接过程 中的材料属性变换，由此导致结构场分析中的凸焊筋位移或者压溃速度明显减 小，计算过程明显延长，容易陷入程序自循环等等。综合考虑，本文选用参考文 献中的l 1 6 周期为迭代步长，获得良好计算收敛效果。 3 4 不同凸筋高度的凸焊仿真建模 相对于电阻点焊而言，电阻凸焊最大的不同在于凸焊筋压溃过程。由于凸焊 筋压溃过程是一个自身几何变化与焊核形成过程的动态平衡过程。不同的高度导 致不同的压溃过程，并直接影响后续焊核形成，从而进一步影响焊接质量，因此， 基于上述有限元多场耦合仿真算法，对不同凸焊筋高度下的电阻凸焊过程进行仿 真，并将仿真结果与文献【1 2 5 】中的实验研究结果进行对比。通过它表明本文所 建立的凸焊过程多场耦合分析模型和方法的正确性，同时它将有助于揭示其内在 规律，并对选择合适的焊接工艺参数和设计凸焊筋高度提供有效参考。 3 4 1 不同凸筋高度的几何模型及网格剖分 如图3 7 所示为实际车身电阻凸焊的简化模型，包括上下电极和两个被焊工 件，其中一个预制了凸焊筋。由于结构的对称性，实际建模中采用1 2 模型进行 平面分析。凸焊筋高度设计成三种类型，分剐为o 5 r a m ，1 0 r a m 和1 5 r a m 。从图 中可以看到：具有最低凸焊筋高度的类型i 的凸焊筋端面过渡均匀，而具有最高 凸焊筋高度的类型i 的凸焊筋端面有明显的颈缩部分。不同的凸焊筋几何形状 将导致不同的仿真过程，并带来不同的仿真结果。三种情况下的网格划分参数如 图3 - 8 和表格3 1 所示。 第三章封闭型柔性结构件匹配凸焊过程多物理场耦台 r 、1 ： 1 ： 图3 7 凸焊多物理场耦合分析的整体和1 2 几何模型 f i 酗- 7t o t a la n dh a l f g e o m e t r i c a lm o d e lf o rp r o j e e t i o nw e l d i n ga n a l y s i s ( a ) h e i g h t - - 0 5 m m( b ) h e i g h t = 1 0 m m( c ) h e i g h t = 1 5 m m 图3 8 不同凸筋高度的凸焊仿真网格剖分 f i 酉一8m e s hm o d e lo f p r o j e e t i o nw e l d i n ga n a l y s i sw i t hd i f f e r e n tp r o j e c t i o nh e i g h t 表3 - 1 三类有限元模型信息 t a b l e 3 1f e mm o d e li n f o r m a t i o no f t h r e ep r o j e c t i o nh e i g h t s 类型i类型l l类型i i i 凸焊筋高度 0 5 m m1 0 m m1 5 m m 网格单元数( 不含接触)3 4 0 03 4 0 03 6 0 0 网格单元数( 包含接触) 3 8 4 03 8 4 04 0 8 0 单元节点数3 7 8 43 7 8 4 4 0 0 6 4 5 上海交通大学博士学位论文 3 4 2 有限单元类型确定 在耦合场计算前后，不同物理场分析