激光拼焊板拉深成形過(guò)程焊縫移動(dòng)快速預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊縫移動(dòng)預(yù)測(cè)方法，尤其是一種激光拼焊板拉深成形過(guò)程焊縫移 動(dòng)快速預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了降低車(chē)身重量、提高車(chē)身的裝配精度、增加車(chē)身的剛度、降低汽車(chē)車(chē)身制造過(guò) 程中的沖壓和裝配成本，減少車(chē)身零件的數(shù)目同時(shí)將其整體化是非常必要的。因而，一種同 時(shí)克服傳統(tǒng)分離成形方法和整體成形方法缺點(diǎn)的生產(chǎn)形式一一拼焊板沖壓成形發(fā)展起來(lái) 了。拼焊板是指將不同或相同厚度、強(qiáng)度、材質(zhì)的冷軋鋼板，切成合適的尺寸和形狀，然后激 光焊接成一個(gè)理想的整體。汽車(chē)制造商用這種拼焊板沖壓成特定的零件裝配汽車(chē)，以滿足 自己和消費(fèi)者提高汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減輕車(chē)重、減少油耗、保護(hù)環(huán)境等方面的 多種需求。
[0003] 拼焊板的使用盡管帶來(lái)了諸多的好處，但也同時(shí)出現(xiàn)了很多技術(shù)上的難以解決的 問(wèn)題，其中最主要的問(wèn)題是由焊縫區(qū)組織變化造成的成形性能下降以及焊縫移動(dòng)所導(dǎo)致的 無(wú)法準(zhǔn)確將特定材料定位等問(wèn)題：強(qiáng)度較高一側(cè)板料變形較小，而強(qiáng)度較低一側(cè)板料變形 較大，使焊縫兩邊形成不均勻變形。另外，激光拼焊板成形的力學(xué)過(guò)程及成形影響因素非常 復(fù)雜，是一個(gè)集幾何非線性、材料非線性、邊界非線性于一體的強(qiáng)非線性問(wèn)題，特別對(duì)于較 為復(fù)雜的汽車(chē)覆蓋件來(lái)講，計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間少則幾十小時(shí)，多則一周以上。如果采用傳統(tǒng)的增 量法模擬軟件，在工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要反復(fù)調(diào)用執(zhí)行，優(yōu)化所消耗的時(shí)間往往因?yàn)槌^(guò)了 所能承受的極限，因而優(yōu)化失去了意義。特別是在沖壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，模具及工藝信息等大 量參數(shù)待定，如果采用該策略需要消耗大量的人力和時(shí)間，可行性較低。
[0004] 反向模擬算法是20世紀(jì)90年代左右創(chuàng)立的一種坯料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，但是用于激 光拼焊板成形過(guò)程焊縫移動(dòng)的預(yù)測(cè)尚未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)專(zhuān)利申報(bào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種激光拼焊板拉深成形過(guò)程 焊縫移動(dòng)快速預(yù)測(cè)方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0007] -種激光拼焊板拉深成形過(guò)程焊縫移動(dòng)快速預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0008] 1).將工件離散為三角形單元，獲得成形零件網(wǎng)格，對(duì)工件的板料最終構(gòu)形建立如 下的虛功方程
[0009]
[0010] 式中δ ε--單元內(nèi)任意點(diǎn)的虛偽移；
[0011] δ U--單元內(nèi)任意點(diǎn)的虛應(yīng)變；
[0012] σ--柯西應(yīng)力；
[0013] F--外力矢量；
[0014] Ve--體積空間；
[0015] Ae--表面區(qū)域；
[0016] T--表示轉(zhuǎn)置陣；
[0017] 2).建立一步模擬法的有限元方程
[0018] k(u)u = p(u) (2)
[0019] 式中k(u)-一剛度矩陣；
[0020] p(u)--外力載荷矢量；
[0021] u--位移；
[0022] 3).因?yàn)槭舰藕褪舰贫际俏灰芔的函數(shù)，因此式⑵是一個(gè)非線性方程組，采 用帶收斂因子的牛頓-拉普拉斯法，假設(shè)外力與內(nèi)力的差值為R(U)，其迭代方程為
[0023]
(3)
[0024] 式中ω--迭代松弛因子，Au1--第i步的位移增量，R(u1)--第i步的外力 內(nèi)力差，U1+1--第i+Ι步的位移增量，U1--第i步的位移增量，k T--切線剛度矩陣；
[0025] 4).為了求解式（3)，需要提供一個(gè)初始的位移場(chǎng)，即位移u的初始值；初始值的好 壞決定了式（3)求解的效率；假設(shè)外力載荷為零，即
[0026] k(u)u = 0 (4)
[0027] 式中k(U)--剛度矩陣；
[0028] u--位移；
[0029] 類(lèi)似的，獲得一個(gè)非線性方程組，采用帶收斂因子的牛頓-拉普拉斯法，假設(shè)外力 與內(nèi)力的差值為R (U)，其迭代方程為
[0030]
(5)
[0031] 式中ω--迭代松弛因子，ΔU1--第i步的位移增量，F(xiàn)inOa 1)--第i步的內(nèi) 力，U1+1--第i+Ι步的位移增量，U1--第i步的位移增量，k T--切線剛度矩陣；
[0032] 求解該方程組，可以獲得初始位移場(chǎng)Utl;然后轉(zhuǎn)到第（3)步，牛頓-拉普拉斯迭代 收斂后即可輸出反算獲得的拼焊板網(wǎng)格；
[0033] 5).在成形零件網(wǎng)格和反算獲得的拼焊板網(wǎng)格兩套網(wǎng)格系統(tǒng)里面，連接焊縫處各 單元的結(jié)點(diǎn)可以獲得兩條空間曲線1和1 2;
[0034] 6).將兩條空間曲線IJPl2分別向X-Y平面投影，獲得兩條平面曲線Γ JPT 2; 按照公式
計(jì)算焊縫的偏移量；
[0035] 式中Δ1--焊縫偏移量；
[0036] N--曲線Γ 1和Γ 2被平均劃分的段數(shù)；
[0037] χ[--曲線I' 1第i個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)；
[0038] --曲線]^ 1第i個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)；
[0039] Xi2--曲線Γ 2第i個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)；
[0040] y2--曲線Γ 2第i個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)。
[0041] 步驟4)中對(duì)于某些形狀比較簡(jiǎn)單的零件，比如非直壁類(lèi)零件，可以將三維網(wǎng)格直 接向X-Y平面投影，從而獲得第3)步所需的初始位移場(chǎng)Utl，此類(lèi)零件要求向X-Y平面投影 后的網(wǎng)格不發(fā)生重疊。
[0042] 本發(fā)明只考慮最終工件的形狀，已知參數(shù)為工件的輪廓、原始坯料的厚度，未知參 數(shù)有坯料的形狀及工件的厚度。這些參數(shù)可由最小化塑性變形功來(lái)求得。為了忽略不同變 形路徑的影響，作了一系列的假設(shè)，其中主要的兩個(gè)方面是：按比例加載；忽略模具和板料 的接觸邊界條件，而改用簡(jiǎn)化的摩擦邊界條件（圖1所示）。為了忽略不同變形路徑的影 響，作了一系列的假設(shè)：
[0043] ①?gòu)椝苄源笞冃危牧贤耆豢蓧嚎s。
[0044] ②變形過(guò)程是比例加載的，即基于塑性形變理論。
[0045] ③材料等向強(qiáng)化或非等向強(qiáng)化。
[0046] ④模具的作用表現(xiàn)為非均勻的沖頭法向壓力，沖頭和壓邊圈下的摩擦力。
[0047] 本發(fā)明只考慮變形后的最終狀態(tài)和初始的平板毛坯，不考慮加載歷史，模具的作 用力采用等效的外載荷來(lái)代替。壓邊圈產(chǎn)生的摩擦阻力用一個(gè)等效載荷矢量來(lái)代替，沖頭 和模具的作用力用一個(gè)法向壓力和一個(gè)切向摩擦力來(lái)代替。
[0048] 本發(fā)明提出一種適用于激光拼焊板的反向模擬法，該方法由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有兩個(gè) 自由度，模擬速度非?？?，非常適合于產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)之初進(jìn)行工藝的分析和優(yōu)化。通過(guò) 反向模擬法反算的坯料中兩種材料的分界線，可以快速反推各種工藝對(duì)拼焊板零件成形過(guò) 程中焊縫移動(dòng)的影響情況，這對(duì)于如何預(yù)測(cè)和控制焊縫移動(dòng)，充分考慮焊縫的存在導(dǎo)致的 成形性能的下降及焊縫的移動(dòng)引起的無(wú)法準(zhǔn)確將特定材料定位等問(wèn)題，具有重要的參考價(jià) 值。并且理論和實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)驗(yàn)證了反向模擬法計(jì)算焊縫移動(dòng)量具有滿意的工程可靠性。 [0049] 通過(guò)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，采用本發(fā)明的方法反算的結(jié)果盡管與實(shí)際測(cè)量的值最多時(shí)有 36%的差異，但是其預(yù)測(cè)的趨勢(shì)和實(shí)際情況是完全吻合的；能夠較好地反映出相比于法蘭 處，矩形件底部區(qū)域有較大的焊縫移動(dòng)量。本發(fā)明可以在拼焊板成形零件設(shè)計(jì)初期，快速預(yù) 測(cè)該零件在實(shí)際拉深過(guò)程中焊縫的移動(dòng)情況，方便設(shè)計(jì)焊縫的位置及其他工藝參數(shù)，以盡 量降低焊縫的移動(dòng)造成的性能的下降，為解決無(wú)法準(zhǔn)確定位問(wèn)題提供一種新的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0050] 圖1是本發(fā)明的方法原理圖；
[0051] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1理想焊縫的位置圖；
[0052] 圖3是本發(fā)明技術(shù)方案步驟3)計(jì)算獲得的初始位移場(chǎng)Utl;
[0053] 圖4是實(shí)施例1中利用本發(fā)明獲得的毛坯及焊線圖；
[0054] 圖5是實(shí)施例2中激光拼焊板示意圖；
[0055] 圖6是實(shí)施例2中薄側(cè)板施加拉延筋示意圖；
[0056] 圖7是實(shí)施例2中無(wú)拉延筋作用示意圖；
[0057] 圖8是實(shí)施例2中無(wú)拉延筋作用（壓邊力減?。┦疽鈭D；
[0058] 圖9是實(shí)施例2中四周均施加拉延筋示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0060] 實(shí)施例1 :快速獲取毛坯焊線位置
[0061] 圖2顯示的是成形后的零件圖，截線AB為設(shè)定的理想焊縫的位置（沒(méi)有偏移），其 端點(diǎn)A也是各工況下測(cè)量焊縫上各點(diǎn)移動(dòng)情況的參考點(diǎn)。截線CD與零件的長(zhǎng)度方向平行， 即與設(shè)定焊縫方向垂直，且位于零件的中心，該截面分別跨厚薄板側(cè)的法蘭、側(cè)壁和底面的 焊縫區(qū)域，能夠反映出該截面上厚度及應(yīng)變的變化趨勢(shì)以及不同方案對(duì)其的影響情況。
[0062] 從拉深成形