面向裝配精度控制的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計優(yōu)化方法研究.pdf

1、持續(xù)提高車身裝配尺寸質(zhì)量是保持汽車制造業(yè)核心競爭力的關(guān)鍵，在現(xiàn)有制造技術(shù)條件下，車身裝配尺寸質(zhì)量的進(jìn)一步提高受到產(chǎn)品設(shè)計水平的瓶頸制約。傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法受設(shè)計信息不完備限制，設(shè)計人員主要依賴經(jīng)驗和主觀的判斷，缺乏對車身結(jié)構(gòu)方案的尺寸質(zhì)量評價的科學(xué)推理方法，只能以串行的工作模式、孤立地設(shè)計零件接頭構(gòu)型或進(jìn)行裝配順序規(guī)劃，這使得在后續(xù)階段任何變化都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方案的大量修改。本文結(jié)合車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段產(chǎn)品信息的殘缺性等特征

2、，運(yùn)用基于實(shí)例推理方法構(gòu)筑并行的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和分析流程，并從裝配順序、零件接頭構(gòu)型等影響車身裝配尺寸質(zhì)量的關(guān)鍵因素出發(fā)，開展相關(guān)支撐技術(shù)的研究，旨在通過綜合考慮產(chǎn)品和工藝因素，深化對影響車身尺寸質(zhì)量的設(shè)計要素的理解，將車身的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計過程程序化、科學(xué)化，進(jìn)一步提高車身產(chǎn)品質(zhì)量。 研究的主要內(nèi)容和創(chuàng)造性工作包括四個部分： (1)基于實(shí)例推理的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計 為了改變以串行的工作模式、孤立地設(shè)計零件連接結(jié)構(gòu)或

3、進(jìn)行裝配順序規(guī)劃的傳統(tǒng)設(shè)計方法的現(xiàn)狀，根據(jù)車身關(guān)鍵的產(chǎn)品和工藝特征，首先建立了車身功能和關(guān)鍵特征的映射模型，以及概念設(shè)計階段裝配模型與可重用設(shè)計實(shí)例數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，提出基于實(shí)例推理技術(shù)的可重用車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計方法；為幫助構(gòu)建實(shí)例數(shù)據(jù)庫并解決產(chǎn)品和工藝知識提取困難，提出了可直接面向產(chǎn)品數(shù)模的基于STEP的裝配關(guān)系提取算法；最后建立了層次性的實(shí)例數(shù)據(jù)索引機(jī)制和相應(yīng)的實(shí)例提取混合算法，以形成面向裝配精度控制的車身零件焊接接

4、頭和裝配順序的優(yōu)化設(shè)計的初始設(shè)計方案。 (2)基于分總成識別的車身裝配順序規(guī)劃技術(shù) 在車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段，由于零件的詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)信息不完備，傳統(tǒng)的裝配順序規(guī)劃技術(shù)無法應(yīng)用；組合爆炸等問題依然困擾裝配順序生成過程。本文在實(shí)例庫和用圖論方法建立的裝配模型基礎(chǔ)上，通過研究零件連接結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特征，引入表征零件及分總成結(jié)構(gòu)偏差吸收能力的評價指數(shù)，形成了不同裝配層次分總成的定性識別和提取方法，并應(yīng)用于基于矩陣置換運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)的裝配順

5、序生成過程，進(jìn)一步縮小了順序生成規(guī)模、提高了順序生成效率。該研究將依靠經(jīng)驗的車身裝配順序規(guī)劃過程變?yōu)橐揽繃?yán)密的數(shù)學(xué)推理的設(shè)計過程。 (3)面向柔性裝配的三維尺寸鏈公差分析方法 為了解決在車身概念設(shè)計階段缺乏有效的公差分析手段的問題，實(shí)現(xiàn)對裝配連接關(guān)系、裝配順序、定位方式等因素對車身裝配精度的綜合評價，提高分析精度，提出了面向柔性裝配的三維尺寸鏈公差分析方法。該方法將零件的定位方式要素作為尺寸鏈中的零尺寸環(huán)加以分析；將車身

6、零件裝配關(guān)系提煉為具有定位作用和柔性偏差吸收作用的兩種匹配特征關(guān)系，并利用圖的路徑搜索算法，建立裝配尺寸鏈各組成環(huán)的自動生成算法。在此基礎(chǔ)上，研究匹配特征的公差區(qū)域表達(dá)和定位要素的相互關(guān)系，通過兩種匹配特征之間的空間變換關(guān)系，提出了表征零件裝配公差傳播的數(shù)學(xué)模型，并建立了完整的仿真算法。 (4)基于遺傳算法的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化 本研究將車身裝配體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的尋優(yōu)過程歸納為多目標(biāo)優(yōu)化問題。利用設(shè)計實(shí)例知識庫建立車身結(jié)構(gòu)

7、骨架模型，以此為基礎(chǔ)提出了以接頭形式為設(shè)計變量，裝配順序、尺寸鏈系統(tǒng)為約束條件、關(guān)鍵特征尺寸偏差相對于工藝能力的滿足程度為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化模型。采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，有效地解決了順序和接頭類型的離散變量和全局優(yōu)化問題。為了提高遺傳算法的效率和結(jié)果的可信度，引入具有約束條件作用的知識模板，實(shí)現(xiàn)了車身結(jié)構(gòu)設(shè)計知識在遺傳算法中的應(yīng)用。 根據(jù)上述研究，開發(fā)了面向車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的工具軟件原型，并在美國通用汽車公司北美研發(fā)中心的新車型設(shè)