[发明专利]基于拓扑优化的自适应多步变域的汽车构件焊点布局优化方法

说明书

本发明提供一种基于拓扑优化的自适应多步变域的汽车构件焊点布局优化方法，基于连续性焊点单元连接的有限元模型，多步变域焊点布局拓扑优化问题的定义，多步迭代递进和终止的准则，以及优化方案的验证，进而完成结构焊点数目和布置形式的优化设计。本发明的技术方案解决了现有技术中的现有焊点拓扑优化方法无法同时优化焊点数目和焊点布置位置，以及现有焊点筛选策略会导致设计方案存在不确定性的问题。

技术领域

本发明涉及汽车车身构件设计技术领域，涉及一种焊点布局优化方法，特别涉及一种基于拓扑优化的自适应多步变域的汽车构件焊点布局优化方法。

背景技术

电阻点焊连接技术是汽车上采用的最主要的连接方式，焊点作为其基本连接点，通常在车身上有3000～5000个之多。焊点数目和布置形式直接影响汽车制造成本和结构性能。

传统的焊点布置方案多是基于设计师的工程经验，致使布置形式往往难以平衡不同的设计需求。部分区域的焊点布置形式有待进一步优化改进，以避免由于焊点不足导致的性能缺陷和由于焊点过多导致的制造成本和工艺布局难度增加。

拓扑优化技术是目前用于车身焊点布局设计的最先进方法。该方法以焊点的相对密度为设计变量，以车身性能要求为约束条件，以焊点数目最小化或车身刚度最大化为优化目标，经拓扑优化后得到的车身初步焊点布局是不同相对密度的焊点集合。在确定焊点最终布局的过程中，当焊点的相对密度趋近于0时，说明此焊点对整体结构性能影响很小，可作为冗余焊点剔除；当焊点的相对密度趋近于1或等于1时，则表示此焊点对结构性能影响较大，应作为关键点予以保留。

但在初步焊点集合中，同时存在较多相对密度介于0和1之间的焊点单元，而这些中间密度单元因其尚未有明确的物理定义，往往难以进行取舍。因此，焊点的删并选择方法对车身焊点布局的优化效果有着决定性的影响。

中国专利号：201610515729.1，专利名称为：一种车身焊点布置的非线性拓扑优化方法，发明人潘锋提出了一种基于等效静态载荷法对碰撞这种非线性工况下车身焊点布局进行拓扑优化的方法。该方法是在焊点初始布局上删除冗余焊点，只是对焊点数目的优化而不改变焊点的位置。

中国专利号：201510800169.X，专利名称为：一种基于焊点受力均匀化的焊点排布优化方法，发明人徐峰等提出了一种基于拓扑优化的焊点布局方法，该方法通过等间距增加焊点扩充初始设计域，并以给定的密度阈值为基准直接判定焊点是否需要保留，而形成最终焊点布局。

这类专利中焊点拓扑优化采用与原设计方案相同的布置或是将原设计方案等间距加密后的布置作为初始设计域，并根据给定密度阈值进行焊点筛选，基于此，现有专利存在以下不足：一是受原设计方案布置形式的影响较大，只是初步地优化焊点位置和数目；二是密度阈值往往根据经验确定，难以避免焊点不足引起的结构性能缺陷和焊点冗余造成的制造成本和加工难度增加的问题。

发明内容

根据上述提出现有焊点拓扑优化方法无法同时优化焊点数目和焊点布置位置，以及现有焊点筛选策略会导致设计方案存在不确定性的技术问题，而提供一种基于拓扑优化的自适应多步变域的汽车构件焊点布局优化方法。本发明主要利用连续性焊点单元连接的汽车构件有限元模型，将汽车构件扭转刚度、弯曲刚度和模态频率作为约束条件，基于每步拓扑优化的计算结果逐步判断焊点的取舍并自适应更新设计域和优化目标函数，通过多步迭代从而获得焊点优化布置方案，从而起到改进汽车构件焊点布局设计，降低焊接结构制造成本及保证其结构性能等方面的优点。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于拓扑优化的自适应多步变域的汽车构件焊点布局优化方法，包括以下步骤：

S1、有限元模型准备和优化约束的获取；S2、自适应多步变域焊点布局优化；S3、多步迭代的递进和终止准则；S4、优化结果验证分析。

进一步地，步骤S1中的有限元模型准备和优化约束的获取，具体包括以下步骤：