汽车覆盖件成形工艺的稳健优化与容差分析

论文摘要

在实际生产中,板料性能和工艺参数的波动是汽车覆盖件废品率居高不下的关键因素。近年来,基于数值模拟的稳健优化与容差分析逐渐得到重视,然而稳健优化过程中随机模拟与反复迭代优化相结合的传统方法需要大量的数值模拟,还难以应用。虽然许多国内外学者已提出一些响应面模型与非随机模拟方法以降低模拟次数,但是当设计变量和参数个数增多时模拟次数激增,导致稳健优化与容差分析仍然局限于分析和优化简单零件。本文在国家自然科学基金项目(编号:50475020)和科技部863项目(编号:2007AA04Z130)的资助下,研究和建立了高效的稳健优化与容差分析模型,并成功应用于复杂汽车覆盖件成形工艺的优化。主要研究内容如下:(1)基于单项式容积法和混沌多项式展开,构造了简约配点响应面模型。采用加权余量法建立响应面模型残差与基函数正交的积分形式,并给出与积分形式等价的配点法。针对高斯积分点个数随变量维数增加而呈幂次递增的特性,采用单项式容积法代替高斯积分法,减少并合理配置了配点个数,提高了响应曲面模型的建模效率。研究结果表明,当变量维数增加时同等阶次的单项式容积法积分点个数远远少于高斯积分点个数,而且计算精度满足工程要求。该方法是本文的核心理论,在此基础上针对汽车覆盖件成形工艺的特点建立了稳健优化与容差分析模型。(2)稳健优化的关键是利用设计变量与设计参数的相互作用以及设计变量与响应量之间的非线性效应。为了应用简约配点响应面模型求解稳健优化问题,提出在简约配点响应面模型中同时包含设计变量和设计参数以及它们之间的交叉项。研究结果表明,该方法可以避免双响应面法只考虑设计变量与设计参数之间的一阶交互作用以及假设响应量为正态分布的局限。此外,该方法还允许设计变量围绕均值波动,具有更广的应用范围。(3)当输入参数波动比较大时,复杂汽车覆盖件成形的数值模拟可能产生数值不稳定,容易导致异常响应,所以在建立稳健优化和容差分析模型时需要考虑异常点的影响。为了降低和消除样本点的异常响应对响应面模型精度的影响,提出了一种构造简约配点响应面模型的稳健回归方法,从而允许在响应量中存在异常响应。将该方法应用于汽车行李箱外板成形工艺的容差分析,成功预测了冲压件拉裂的概率。(4)针对设计变量与响应量呈强非线性关系的问题,建立了逐步缩小设计变量取值范围的优化搜索方法,提高了混沌多项式的拟合精度和简约配点响应面模型的自适应性。研究结果表明,该方法允许设计变量在大区间内寻求工艺参数的最优值。将该方法应用于汽车行李箱外板成形工艺的稳健优化,验证了其求解强非线性稳健优化问题的可行性。(5)通过圆筒件拉深实验测量了压边力、摩擦系数、板料性能参数以及成形质量的概率分布,验证了基于简约配点响应面模型的稳健优化和容差分析的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 板料成形数值模拟发展概况
• 1.3 板料成形工艺优化研究现状
• 1.3.1 构造响应面模型的主要方法
• 1.3.2 基于响应面模型的板料成形工艺优化方法
• 1.4 不确定性和随机波动的求解方法
• 1.4.1 随机变量的表示方法
• 1.4.2 相关随机变量的变换
• 1.4.3 误差传递的求解方法
• 1.5 板料成形工艺稳健优化与容差分析
• 1.6 本文主要研究内容及意义
• 本章参考文献
• 第二章 基于单项式容积法的简约配点响应面模型
• 2.1 不确定性问题的混沌多项式近似
• 2.2 混沌多项式的构造
• 2.3 单项式容积法
• 2.3.1 单项式容积法的特点
• 2.3.2 单项式容积法及其公式
• 2.3.3 简约配点响应面模型的回归方法
• 2.4 验证与应用：容差分析
• 2.4.1 数学算例验证
• 2.4.2 薄壁方管碰撞
• 2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 板料成形问题的简约配点响应面模型和容差分析
• 3.1 板料成形数值模拟的异常响应
• 3.2 稳健回归简约配点响应面模型
• 3.3 验证与应用：容差分析
• 3.3.1 数学算例验证
• 3.3.2 行李箱后盖外板拉延成形
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 基于简约配点响应面的稳健优化方法
• 4.1 稳健优化方法
• 4.1.1 可靠性与稳健性的度量
• 4.1.2 基于简约配点响应面的稳健优化模型
• 4.2 混沌多项式的改进
• 4.3 工程应用
• 4.3.1 汽车连杆的稳健优化
• 4.3.2 方盒件成形质量的稳健优化
• 4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 汽车覆盖件成形工艺稳健优化
• 5.1 汽车覆盖件成形工艺存在的问题
• 5.2 自适应响应面在工程中的应用
• 5.3 自适应简约配点响应面模型的构造
• 5.4 复杂汽车覆盖件成形工艺的稳健优化
• 5.4.1 问题定义
• 5.4.2 基于自适应简约配点响应面模型的稳健优化
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 简约配点响应面模型的实验验证
• 6.1 板料成形不确定性因素定量化的必要性
• 6.2 圆筒件拉深成形实验方案
• 6.2.1 实验目的
• 6.2.2 实验设计
• 6.2.3 成形质量的测量方法
• 6.3 实验结果
• 6.4 圆筒件成形质量的稳健优化与容差分析
• 6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 附录 单项式容积公式的推导
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢