1、硕士研究生培养材料之二1湖南大学硕士研究生毕业（学位）论文开题报告姓 名 学 号 S09021088 已修学分 25所属学院 机械与运载工程学院 一级学科 机械工程二级学科 车辆工程指导教师 开题时间 2010.11.研究方向 机械数字化设计与制造论文题目 车身薄板件焊接误差分析研究与应用一、文献综述在产品的机械加工过程中，由于受到加工系统的误差、弹性变形、热变形等各方面因素的影响，零件的实际形状和尺寸等几何参数不可避免的存在着加工误差。在机械装配过程中，为保证各组成零件合适、恰当的功能，对各组成零件所定义的允许的几何和位置上的误差叫公差。从保证零件的功能和互换性要求来看，必须把加工误差限制在
2、一定范围之内，即要确定零件的公差。产品的公差分配是否合理，直接关系到产品的功能和质量是否能够满足要求，并且还直接决定着产品的制造成本。从产品的功能质量来看，功能质量要求越高，对零件公差要求就越高，而更高的公差要求则必然导致制造成本的急剧上升。因此，公差设计的目的是在保证产品质量的前提下尽量降低制造成本，即寻求质量和制造成本之间的平衡。为了能够检验机械产品的公差设计方案是否能够满足其功能质量要求，必须进行公差分析1。极值分析法1、统计分析法2是车体装配误差分析的常用方法，但是这两种方法都是以刚体零件装配过程中的几何分析和运动学分析为基础，不能很好地适应柔性薄板产品的装配偏差分析。直接蒙特卡罗模拟
3、方法从理论上讲是最为完善的研究复杂车体装配误差的方法，由随机数发生器产生零件偏差，再用有限元法进行装配仿真，多次模拟得到误差统计分布。但过程繁杂而耗时，难以在车体装配误差分析领域得到广泛应用Takezawa5根据对轿车柔性薄板件装配测量数据的回归分析指出“基于刚体假设的误差累积理论难以适用于轿车车体柔性薄板冲压件的装配，其装配偏差可以小于零件的累积偏差，并接近于刚性较大的零件偏差” ，该论断揭开了柔性件偏差研究的序幕。90 年代初，美国密西根大学率先开始了有关车体柔性件装配误差的系统性理论研究，并在美国汽车制造企业开展了降低车体制造误差的“2 mm 工程”项目，为美国夺回了 90 年代初因制造
4、质量而丢失的 30国内市场份额。2由于刚性零件装配尺寸偏差分析主要考虑几何运动， 当装配过程中零件产生变形时，上述基于几何运动学的偏差分析方法则不再适用。与刚性零件不同，薄板冲压件在装配过程中容易产生变形， 这种柔性的装配尺寸偏差主要来源于零件制造偏差、夹具定位偏差等6。柔件装配是一个形封闭和力封闭的耦合过程，因此将有限元方法引入到偏差分析成为一种必然选择7。 代表性的直接有限元偏差分析模型包括： Liu8提出的一维偏置梁单元模型；Hsieh 和 Oh9 10提出了柔性薄板零件仿真和优化的方法和计算机仿真程序实现的方法， 讨论了三种类型的装配操作：夹紧、焊接和释放，应用 GA 算法优化焊接顺序
5、，开发了 GM 公司的柔性薄板零件装配偏差分析软件 EAVS 等；Xie 和 Hsieh 基于 EAVS 软件提出一种实现夹紧和焊接顺序优化的算法，以获得最小的装配周期和装配变形；Cai 等提出了数字薄板装配方法，分析了确定性定位和偏差分析。Liu11等提出了薄板装配误差分析的影响系数法(Method of Influence coefficients)，通过单位力响应和互易定理建立零件变形和作用外力的影响系数矩阵，由焊装结构回弹分析获得装配偏差对零件偏差的敏度矩阵，所构造偏差分析的力学偏差模型将工程结构和统计分析结合起来预测柔体装配偏差。林12指出在距离焊点 10mm 时零件由于点焊热对变形
6、的影响已经很小，为影响系数法的简化提供了依据。1.彭红梅薄壁件装配公差的计算与分析；硕士论文天津：河北工业大学，20022Green W H,Chase K W. Worst case tolerance analysis with nonlinear problemsJ.Journal of Engineering for Industry,1988,110(8):232235.3.Greenwood W H，Chase K wA new t01erance analysis method for designers and manufacturersJJournal of Engineer
7、ing for Industry，1987，109(5)：1121164. Skowronski V ，Turner J UUsing MonteCarlo variance reduction in statistical tolerance synthesisJComputerAided Design，1997，29(1)：63695Takezawa, N., An improved method for establishing the process wise quality tandard reports of statistical and applied research, Un
8、ion of Japanese Scientists and Engineers, 1980, 27(3):63-76.6. 林巨广，王桂周，王健强；白车身薄板件焊接装配误差的研究；汽车技术；20097.张媛媛；柔性薄板件装配偏差建模分析及应用研究；上海：上海交通大学，20098. Liu, S. C., and Hu, S. J, Tolerance analysis for sheet metal assemblies, ASME Journal Mechanical Design, 1995, 118(1):62-66.9 Hsieh, C. C., and Oh, K. P., Sim
9、ulation and optimization of assembly processes 3involving flexible parts, International Journal of Vehicle Design, 1997, 18(5):455-465.10 Hsieh, C. C., and Oh, K. P., A framework for modeling variation in vehicle assembly processes, International Journal of Vehicle Design, 1997, 11 Liu, S. C., and H
10、u, S. J., Variation simulation for deformable sheet metal assemblies using Finite Element Methods, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1997, 119:369-374.12林忠钦， 胡 敏， 米新民， 陈关龙；轿车白车身点焊装配过程有限元分析J；焊接学报；2001.24二、选题背景及意义5轿车车身是轿车的重要组成部分，是整个轿车零部件的载体，其重量和制造成本约占整车的40%-60%。轿车车身通常由几百个具有复杂空间曲面的
11、薄板冲压件组成，在流水线上大批量、快节奏的装配而成，中间环节众多，各种装配源难以避免。车身制造质量的优劣对整车质量起着决定性作用。80 年代末和 90 年代初期，美国汽车制造质量在整体上落后于日本与欧洲。以车身关键测量点的 值为指标，日本以 Toyota 为例可达 1.00mm，而美国车身制造偏差一般要超过士 2mm。当时美国丢掉了近 30%的国内轿车市场。在这种情况下，1991 年美国 Michigan 大学吴贤铭教授提出的“2mm 工程”(2mm Program)计划，以期提高汽车车身制造质量，降低车体制造的综合偏差。目前，轿车车身制造的国际先进水平已达到车身制造偏差在 lmm 以内。然而
12、，我国轿车车身偏差还不够稳定，平均在 5mm 左右，仅相当于美国 80 年代以前的水平，远远落后于世界先进水平。因而，目前我国迫切需要开展车身制造偏差的研究。现有装配偏差的分析与综合研究仍然主要沿用了刚体装配误差理论，实际上，由薄板冲压得到的轿车车身零件，相对刚度较大的装配工夹具而言具有明显的柔性，传统的统计公差法，极限公差法等基于刚体的刚体假设的方法已不再适用。因此，寻求适用于具有柔性特点的薄板装配偏差研究方法，探明引起装配偏差的各类偏差源，对控制轿车车身等薄板装配偏差具有重要意义。直接蒙特卡罗法（Monte-Carlo）是求解薄板件装配偏差的最直观的方法，直接蒙特卡罗法就是对一定量的样本零
13、件进行三坐标仪的扫描，获得实际零件的几何模型，然后应用有限元方法对零件进行加载，分析，得到零件的统计特征。根据已有的统计样本来看，要得到较好的统计结果需要进行大概 3000次以上的抽样，而单单每一次的零件的装配误差有限元分析，即使进行简化后也需要进行接触分析，干涉处理等，因此这种方法在现有的理论下是不可行的。Liu 等提出了薄板装配误差分析的影响系数法(Method of Influence coefficients)，通过单位力响应和互易定理建立零件变形和作用外力的影响系数矩阵，通过对焊接过程的分析获得装配偏差对零件偏差的敏度矩阵，所构造偏差分析的力学偏差模型将工程结构和统计分析结合起来预测
14、柔体装配偏差，将焊接过程分为：定位、装夹、焊接、卸载四个过程，考虑了由零件偏差与定位偏差引起的装配误差。林指出在距离焊点 10mm 时零件的焊热变形对焊接变形的影响已经很小，为影响系数法的简化提供了依据。影响系数法是解决两薄板零件装配误差分析、综合的有效手段，但是因为该方法是基于理想模型建立的，对于实际情况中的两零件之间可能发生干涉、接触等问题无法考虑到而影响了模拟的精度。本文针对影响系数法无法考虑焊点漂移而影响仿真精度的情况，通过考虑接触等问题建立焊点6漂移影响矩阵。三、研究的主要内容7目前，文献中所研究的对象大部分是针对刚性零件，即在装配过程中忽略零件本身的变形，但是对于汽车车身等金属薄壁
15、件，计算装配公差过程中必须要考虑到其本身变形的影响，本文对这种情况，对柔性金属薄板的装配进行了研究。首先，本文根据影响系数法,使用 ansys 软件对薄板焊接过程进行仿真，构造关键点误差的影响系数矩阵，并将其应用到焊接夹具定位点的个数的分析中。其次，针对现有影响系数法无法考虑焊点漂移现象，建立接头形式为搭接情况下的焊点漂移的误差矩阵。最后利用响应面法，构建出焊点优化的响应面模型，利用遗传算法得到最优的夹具定位点的布置。四、工作的重点与难点，拟采取的解决方案8工作重点与难点：（1）因为影响系数法是基于理想模型上进行的有限元仿真，而焊点漂移是实际零件焊接时受力变形的复杂过程，所以研究重点是对搭接情
16、况下焊点漂移的影响因素，过程，进行分析，得到偏差系数矩阵。（2）寻找合适的夹具偏差响应面方法，建立夹具定位方案与零件焊接节点变形之间的响应面模型，并进行优化求解。拟采取的解决方案：（1）验证焊接节点漂移引起焊接误差近似于零件发生刚体位移，在忽略零件之间干涉的情况下，拟通过刚体误差的旋量模型，获得节点偏差与焊缝误差的影响系数关系。（2）由于径向基函数对散乱数据插值有很好的效果，拟使用径向基函数(radial basis function，RBF)插值建立响应面模型，然后使用遗传算法求解。五、论文工作量及进度9论文工作量：2010 年 6 月2011 年 11 月预期进度：2010 年 6 月20
17、10 年 7 月：查阅与本论文相关的国内外资料，对本研究的应用前景与研究意义进行评估。2010 年 8 月2010 年 9 月：提出研究方案与技术路线，并对它们的可行性进行评估。2010 年 9 月2011 年 1 月：使用 ansys 软件对薄板焊接过程进行仿真，构造关键点误差的影响系数矩阵，及焊点漂移偏差矩阵，并将其应用到焊接夹具定位点的个数的分析中。2011 年 2 月2011 年 3 月：根据前一阶段的工作，撰写一篇小论文。2011 年 4 月2011 年 8 月：使用合适的夹具偏差响应面方法，建立夹具定位方案与零件焊接节点变形之间的响应面模型，并进行优化求解。2011 年 8 月20
18、11 年 9 月：根据以上工作，撰写第二篇小论文。2011 年 10 月2011 年 11 月：工作总结，撰写毕业论文。六、论文预期成果及创新点10预期成果：(1) 在国内外期刊上发表论文 2 篇。(2) 获得搭接形式时焊点漂移引起的误差模型。(3). 对影响系数法的应用，解决焊接装配，夹具定位边界条件施加方式等问题，定性获得零件形状与定位点个数的关系。(4).建立焊接夹具定位点优化模型。创新点：(1)通过对搭接情况下焊点漂移的影响因素，过程，进行分析获得焊点漂移的误差矩阵。(2)建立基于径向基函数插值的响应面优化模型。七、完成论文拟阅读的主要文献111.Skowronski V J, Tur
19、ner J U.Using Monte-Carlo variance reduction in statistical tolerance synthesis J.Compute Aided Design, 1997, 29(1):63-69.2.Takezawa, N., An improved method for establishing the process wise quality standard reports of statistical and applied research, Union of Japanese Scientists and Engineers, 198
20、0, 27(3):63-76.3. Liu S C.Hu S J Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods 19974. Cai W. Deformable sheet metal fixturing: principles, algorithms, and simulations. Transaction of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1996, 118:31832
21、45 Jin, J., and Shi, J., State space modeling of sheet metal assembly for dimensional control, ASME Journal of manufacturing science and engineering, 121:756-762.6 Xie, L. S., and Hsieh, C., Clamping and welding sequence optimization for minimizing cycle time and assembly deformation, International
22、Journal of Materials 胡敏; 米新民; 陈关龙. 轿车白车身点焊装配过程有限元分析 J.焊接学报，200018.林巨广；王桂周；王健强.白车身薄板件焊接误差的研究 J.汽车工程，200919.胡敏；来新民；林忠钦.车体多柔性件装配的误差分析 J.上海交通大学学报.2010.1020.邢彦锋;金 隼;来新民;陈关龙. 基于径向函数的响应面法在薄板装配夹具设计中的应用J. 计算机辅助设计与图形学学报.2009.121.周志革；崔根群；彭红梅. 基于伪随机点的薄壁件装配公差的有限元分析J. 中国机械工程2004.0422.周志革；武一民；彭红梅；崔根群. 柔性薄壁件装配公差的分析
23、 .机械设计与制造J.2005.0823.黄娟, 顾寄南, 装配仿真中碰撞干涉检查研究的综述, 江苏大学学报（自然科学版）, 2002, 23(2):17-21.24胡敏，来新民，林忠钦；车体多柔性件装置的误差分析；上海交通大学学报，2000,34（10）：1365136825温卫东, 高德平, 接触问题数值分析方法的研究现状与发展 , 南京航空航天大学学报, 1994, 26(5):664-675.13指导教师意见 指导教师签名： 二一 年 月 日评议小组名单由学院主管领导确定 35 名具有高级职称的教师为评议小组成员组长： 组员： 、 、 、 、 （公章）主管领导签名： 二一 年 月 日评
24、议小组意见1、论文选题： 有理论意义； 有工程背景； 有实用价值；意义不大。2、论文的难度： 偏高； 适当；偏低。3、论文的工作量： 偏大； 适当；偏小。4、研究方案的可行性： 好； 较好；一般；不可行。5、研究生对文献资料及课题的了解程度： 好；较好；一般； 较差。6、研 究 生 在 论 文 选 题 报 告 中 反 映 出 的 综 合 能 力 和 表 达 能 力 ： 好； 较好；一般；较差。7、研究生在论文选题报告中反映出的创新能力： 好；较好； 一般；较差。8、对论文选题报告的总体评价： 好； 较好；一般；较差。（在相应的方块内作记号“” ）14评议结论 评议小组组长签名： 二一 年 月 日
