一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法
一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于减少装备制造过程中温室气体排放技术领域，具体涉及一种面向低碳 制造的焊接箱型梁智能优化设计方法。 技术背景
[0002] 在温室气体（GreenhouseGas,GHG)排放中，制造业占据了超过一半的比重，是减 排的重中之重；以箱型梁为研宄目标，在传统的设计制造过程中，针对降低箱型梁GHG排量 而进行的优化非常稀少，在多数情况下优化设计还停留于降低材料用量这一目的；以减少 材料为目的的优化方法虽然可以在一定程度上起到减少GHG排放的效果，但依旧存在优化 目的不清楚，优化效果随机性较大，无法达到最优设计的问题；
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向低碳制造的焊接 箱型梁智能优化设计方法，利用该方法可以达到减少生产中GHG排放的目的。
[0004] 为达到上述目标，本发明采取的技术方案为：
[0005] -种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，包括以下步骤：
[0006]1)、测算GHG排放：利用测量仪器测算出箱型梁生产环节的GHG排放量，生产环节 包括开采资源、冶金、焊接、机械加工过程的GHG排放，将各生产环节的GHG排放量以千克二 氧化碳当量（kgC02e)的形式转化为同等质量的C02;
[0007]2)、计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导：
[0008] 设计变量x为箱型梁所有筋板的厚度向量S与端点坐标向量C，按照步骤1)中所 测得的数据建立温室气体排放的数学表达形式，也就是目标函数GHG，
[0009]GHG(x) =Gmeterial (x) +Gcutting (x) +Gwelding (x)
[0010] Gmeterial (x) -msteelXksteei
[0011 ] Gcutting (x) =mcXkc+m〇Xko+mC02+EcutXkE
[0012] Gwelding (x)-mweldingXkwelding+mc〇2XkC02+mC02+EweldingXkE
[0013]G- (x)为制造筋板的GHG排放量，msteel为所用筋板的总质量，ksteel为制造单位 质量筋板的GHG排放当量；Gratting(X)为切割筋板的GHG排放量，m。为切割时所用C3H8的质 量，k。为制造单位质量C3H8时的GHG排放当量，m。为切割时所用0 2的质量，k。为制造单位 质量O^GHG排放当量，ma)2为切割过程中产生的C02质量，Erat为切割时的用电量，kA 单位电能的GHG排放当量；G"lding(x)为零件焊接的GHG排放量，mirelding为所用焊丝的质量， kweldingS制造单位质量焊丝的GHG排放当量，m' ?2为二氧化碳气体保护焊所用的0)2质 量，kro2为制备单位质量C0 2时的GHG排放当量，m〃ra2为焊接过程中产生的C0 2质量，Ewelding 为焊接用电量，
[0014] 然后求出目标函数GHG对各个变量的偏导值；
[0015] 3)、计算有待优化结构的应变能函数J及其对各个变量的偏导：
[0016] 建立笛卡尔坐标系，以zoy面作为筋板位置的变换平面，力沿与X轴平行的方向加 载在箱型梁结构上，求出应变能函数J，采用刚度扩散准则求解，具体步骤如下：
[0017] 3. 1)、建立不包含筋板的基结构有限元模型，并求解：
[0018] 首先在有限元分析软件中建立不包含筋板的待优化箱型梁结构；使用shell63单 元作为箱型梁结构六个面的壁板，壁板的弹性模量按实际生产时所用材料的弹性模量选 取；本箱型梁结构内部使用横平竖直的网格结构，这种网格结构使用beaml88单元将每一 个节点都与其前后左右上下的其它6各节点相连，从而构造出横平竖直的网格结构；同时 将这个网格结构中的各个beaml88单元弹性模量都定义为远小于壁板的弹性模量，这一步 称为柔化处理；如此便建立出了不包含筋板的基结构有限元模型；然后再给不包含筋板的 基结构有限元模型上加载力和约束，求解不包含筋板的基结构有限元模型；最后从求解结 果中提取出不包含筋板的基结构有限元模型的受力点位置、受力方向和大小信息，受约束 点位置、约束方向信息，所有节点位置信息以及基结构的刚度矩阵KKG，假设整个基结构有 n个节点，那么矩阵KKG为6*n阶矩阵；
[0019] 3. 2)求解各个筋板的刚度矩阵并将其组装：
[0020] 首先定义筋板使用Shell63单元建立，筋板的弹性模量按照实际生产所用材料的 弹性模量设定，不做柔化处理；然后根据设计变量x所描述的筋板的厚度向量S与端点坐 标向量C，编辑程序得出每一个筋板在整体坐标系下的单元刚度矩阵；假定总共有m个筋 板，那么可以得到m个单元刚度矩阵KKt(t= 1、2~...m)每个矩阵均为24阶方阵；
[0021] 将各个筋板的单元刚度矩阵KKt(t= 1、2~...m)依次沿对角线拼接在一起，形成 一个24*m阶的整体刚度矩阵K，其中没有被定义到的元素均置为零；
[0022] 3. 3)求解转换矩阵T:
[0023] 转换矩阵T由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵％，即T=H_ %1 ;
[0024]求解H:
[0027]其中：
[0030] 上式取基结构n个节点中的一个节点i，定义该点坐标为Xpypzi;取m个筋板上 所有4*m个顶点中的一个节点j，定义该点坐标为Xj、y』、zj;dsp值为基结构两个相邻节点 间距离的2-10倍；
[0031]求解H0:
[0034]其中：
[0037] 上式取基结构n个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和 Xq、Yq、Zq;
[0038] 3. 4)、求出总刚度矩阵KBB:KBB=Tt ?K?T+KKG
[0039] 3. 5)、计算结构应变能函数J:利用总刚度矩阵KBB以及受力信息求基板节点位移 UUG，继而求出整个结构的应变能函数，应变能函数J= 0. 5*UUGT ?KBB?UUG;
[0040] 3. 6)、计算应变能函数J对各个变量求偏导后的数值；
[0041] 4)、迭代优化：将目标函数GHG值、约束条件值、目标函数和约束条件的允许变化 范围以及目标函数和约束条件对各个变量的偏导数导入MMA算法即完成一次迭代，每次迭 代的最终会实现一次对所有设计变量的更新，这组新的设计变量将被用于下一轮优化之 中，最后得到初步优化布局；
[0042] 5)后处理：参照初步优化布局进行圆整处理，再根据加工工艺要求以及制造装配 要求进一步修改布局，得到最优设计；
[0043]6)、验证：将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能 合乎要求，碳排量明显下降。
[0044] 本发明的有益效果为：
[0045] 与传统优化方法相比，本发明给出了一种以减少GHG排放为目标的优化方法，精 确解算制造过程中GHG排放量及形式，运用刚度扩散准则在保证刚度不下降的前提下给出 有数学依据的设计方案，因此这种方法较之于传统方法优化目标明确定位在降低温室气体 排放上，目标更加明确，效果更加显著，同时因为有数学支持使得结果更加可靠；此外，本方 法在减排的同时还附带降低原材料以及生产耗材使用量的效果，既能为企业节省大量生产 成本，又可以带来显著的环保效益，满足国家节能减排任务；这种方法也可以推而广之，所 得成果同样可用于梁、立柱等承载件的低碳设计中，实际应用中还请设计者灵活调整。
【附图说明】
[0046] 图1为实施例200次迭代后得到最终收敛的各个筋板的位置图与应变能碳排量等 信息图，其中图a是筋板初步优化后的布局图；图b是被优化结构的应变能随迭代次数变化 图；图c是筋板质量随迭代次数变化图；图d是被优化结构的总碳排量随迭代次数变化图； 图e是被优化结构的材料碳排量随迭代次数变化图；图f?是被优化结构的切割碳排量随迭 代次数变化图；图g是被优化结构的焊接碳排量随迭代次数变化图。
[0047] 图2为实施例圆整后的结构示意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合RZU2000HM型液压机中的上横梁对本发明作进一步说明。
[0049] 一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，包括以下步骤：
[0050] 1)、测算GHG排放：利用测量仪器测算出箱型梁生产环节的GHG排放量，生产环节 包括开采资源、冶金、铸造、焊接、机械加工过程使用资源和能源所带来的GHG排放，将各生 产环节的GHG排放量以千克二氧化碳当量（kgC02e)的形式转化为同等质量的C02;
[0051] 2)、计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导：
[0052] 设计变量x为箱型梁所有筋板的厚度向量S与端点坐标向量C，按照步骤1)中所 测得的数据建立温室气体排放的数学表达形式，也就是目标函数GHG:
[0053] GHG(x) =Gmeterial (x) +Gcutting (x) +Gwelding (x)
[0058]Gmeterial (x)为制造筋板的GHG排放量，Gcutting (x)为切割筋板的GHG排放量， Gwelding(x)为零件焊接的GHG排放量，m为筋板总数，本实例中m= 18,Si为第i块筋板的 厚度，Q为第i块筋板的长度，xn、yn、zn为第i块筋板上一点il的坐标，xi2、yi2、zi2为第 i块筋板与il点在同一长边上的另一点i2的坐标，w。为割口宽度，h为箱型梁总高度，Q。 为切割时C3H8流速，Q。为切割时CO2流速，为焊接时C02流速，巧为当地二氧化碳气 体的密度，U为焊接时电压；I为焊接时电流，以上各个量均使用国际标准单位；
[0059] 3)、计算有待优化结构的应变能函数J及其对各个变量的偏导：
[0060] 首先确定坐标系的建立形式，由于筋板的变化总保持与受力面垂直，从而支撑结 构，所以这里建立笛卡尔坐标系，以zoy面作为筋板位置的变换平面，力沿与X轴平行的方 向加载在箱型梁结构上，求出应变能函数J，采用刚度扩散准则求解，具体步骤如下：
[0061] 3. 1)、建立不包含筋板的基结构的有限元模型，并求解：
[0062] 首先在有限元分析软件中建立不包含筋板的待优化箱型梁结构；使用shell63单 元作为箱型梁结构六个面的壁板，壁板的弹性模量设为2. 06*enm3/kg;本箱型梁结构内部 使用横平竖直的网格结构，这种网格结构使用beaml88单元将每一个节点都与其前后左右 上下的其他6个节点相连，从而构造出横平竖直的网格结构；同时将这个网格结构中的各 个beaml88单元弹性模量都定义为应远小于壁板的弹性模量，这里将beaml88单元的弹性 模量设为2. 06*e7m3/kg，这一步称为柔化处理；鉴于上 横梁的结构及所受载荷和约束边界 均关于z〇x和y〇z平面对称，因此只取横梁结构的四分之一来构建基结构以节约计算成本， 提高计算效率；如此便建立出了不包含筋板的基结构有限元模型；然后在给不包含筋板的 基结构有限元模型上加载力和约束，求解不包含筋板的基结构有限元模型；最后从求解结 果中提取出不包含筋板的基结构有限元模型的受力点位置、受力方向和大小信息，受约束 点位置、约束方向信息，所有节点位置信息以及不包含筋板的基结构的刚度矩阵KKG，假设 整个基结构有270个节点，那么矩阵KKG为1620阶矩阵；
[0063]3. 2)、求解各个筋板的刚度矩阵并将其组装：
[0064] 首先定义筋板使用shell63单元建立，筋板的弹性模量按照实际生产所用材料的 弹性模量设定，不做柔化处理；然后根据设计变量x所描述的筋板的厚度向量S与端点坐 标向量C，编辑程序得出壳单元shell63在整体坐标系下的单元刚度矩阵；为了更加准确地 模拟筋板的支撑作用，需要将每一块筋板都细分成相连在一起的多块筋板，本实例中将所 有筋板总共细分成18个筋板，那么可以得到18个单元刚度矩阵，将这些单元刚度矩阵命名 为KKt(t= 1、2…18)，每个矩阵均为24阶方阵；
[0065] 将各个筋板的单元刚度矩阵KKt(t= 1、2….18)依次沿对角线拼接在一起，形 成一个432阶的整体刚度矩阵K，其中没有被定义到的元素均置为零；
[0066] 3. 3)、求解转换矩阵T:
[0067] 转换矩阵T的作用是将所有筋板所贡献的刚度转化融合到基结构中，转换矩阵T 由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵&，即TilH。1;
[0068] 求解H:
[0069]
[0071]其中：
[0074] 上式取基结构n个节点中的一个节点i，定义该点坐标为Xpypzi;取m个筋板上 所有4*m个顶点中的一个节点j，定义该点坐标为Xj、yj、zj;dsp为一个人为设定的参数，其 值需要通过多次优化运算试出来，通常选取的dsp值为基结构两个相邻节点间距离的两倍 左右，本例中选取dsp为基结构两个相邻节点间距离的2. 2倍；
[0075] 求解H0:
[0078]其中：
[0081] 上式取基结构n个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和 Xq、Yq、Zq;
[0082] 3. 4)、求出总刚度矩阵KBB:这里使用刚刚求出的转换矩阵T将筋板的整体刚度 矩阵和基结构的刚度矩阵融合为一体，从而求出整个箱型梁结构的总刚度矩阵KBB:KBB= Tt ?K?T+KKG
[0083] 3. 5)、计算结构应变能函数J:用融合基结构刚度和筋板刚度的总刚度矩阵KBB 以及受力信息求基板节点位移UUG，继而求出整个结构的应变能函数，应变能函数J= 0. 5*UUGT ?KBB?UUG，
[0084] 显然参与计算应变能函数J的过程之中，所涉及的变量有且只有所有设计变量， 也就是所有筋板的厚度信息与位置信息，将这些变量的变量值带入变能函数J便得到该箱 型梁结构在承载状态下的应变能数值；
[0085]3. 6)、应变能函数J对各个变量求偏导，由于计算应变能函数J的过程之中参与计 算的变量有且只有所有设计变量；因此这里需要计算应变能函数J对每一个设计变量的偏 导；然后将所有的变量值带入可以得到应变能对各个变量求偏导后的数值；
[0086] 4)、迭代优化：将目标函数GHG值、约束条件值、目标函数和约束条件的允许变 化范围以及目标函数和约束条件对各个变量的偏导数导入MMA算法即完成一次迭代，在 MATLB计算的结构应变能为1260J，这里便将应变能上线设定为1260J;将上面所求得的值 带入MMA算法当中，从而得到新一轮的优化值；重复上面的过程，进行200次迭代后得到初 始优化布局，如图1所示；
[0087] 5)、后处理：初始优化布局比较杂乱但又拥有比较强的排布规律，此外还有一些筋 板变得非常薄，可以约去，因此需要进行圆整处理；这里参照得到的初步优化布局中筋板的 走向布置筋板，同时需要将相邻的筋板合并成为整块，最后根据加工工艺要求以及制造装 配要求进一步修改布局及筋板厚度，得到最优设计，如图2所示；
[0088] 6)、验证：将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能 合乎要求，碳排量明显下降，
[0089] 验证圆整后的优化结果并与原始结构作对比，从中可以看到优化后的上横梁结 构总质量下降11. 47%，筋板部分质量下降28. 85%，应变能降低0. 85%，筋板碳排量降低 29. 88 % 〇
【主权项】
1. 一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、测算GHG排放：利用测量仪器测算出箱型梁生产环节的GHG排放量，生产环节包括 开采资源、冶金、焊接、机械加工过程的GHG排放，将各生产环节的GHG排放量以千克二氧化 碳当量（kgC02e)的形式转化为同等质量的CO2; 2) 、计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导： 设计变量X为箱型梁所有筋板的厚度向量S与端点坐标向量C，按照步骤1)中所测得 的数据建立温室气体排放的数学表达形式，也就是目标函数GHG， GHG (x) 一 Gmeterial (x) +Gcutting (x) +Gwelding (x) Gmeterial (X) = msteel X k steel Gcutting (x) = mc X kc+m〇 X ko+mC02+Ecut X kE Gweiding(x) -11WdingX kwelding+m c〇2 X kc〇2+m c〇2+Ewelding X kE (X)为制造筋板的GHG排放量，mstMA所用筋板的总质量，k &61为制造单位质量 筋板的GHG排放当量；Gratting (X)为切割筋板的GHG排放量，m。为切割时所用C 3H8的质量，k。 为制造单位质量C3H8时的GHG排放当量，m。为切割时所用0 2的质量，k。为制造单位质量0 2的GHG排放当量，Hias为切割过程中产生的CO 2质量，E 为切割时的用电量，k E为单位电能 的GHG排放当量；Gwelding(x)为零件焊接的GHG排放量，Hiirelding为所用焊丝的质量，k _~为 制造单位质量焊丝的GHG排放当量，m' ?2为二氧化碳气体保护焊所用的CO2质量，为 制备单位质量CO2时的GHG排放当量，m〃 ω2为焊接过程中产生的CO 2质量，E weldingS焊接用 电量， 然后求出目标函数GHG对各个变量的偏导值； 3) 、计算有待优化结构的应变能函数J及其对各个变量的偏导： 建立笛卡尔坐标系，以zoy面作为筋板位置的变换平面，力沿与X轴平行的方向加载在 箱型梁结构上，求出应变能函数J，采用刚度扩散准则求解，具体步骤如下： 3. 1)、建立不包含筋板的基结构有限元模型，并求解： 首先在有限元分析软件中建立不包含筋板的待优化箱型梁结构；使用shell63单元作 为箱型梁结构六个面的壁板，壁板的弹性模量按实际生产时所用材料的弹性模量选取；本 箱型梁结构内部使用横平竖直的网格结构，这种网格结构使用beaml88单元将每一个节点 都与其前后左右上下的其它6各节点相连，从而构造出横平竖直的网格结构；同时将这个 网格结构中的各个beaml88单元弹性模量都定义为远小于壁板的弹性模量，这一步称为柔 化处理；如此便建立出了不包含筋板的基结构有限元模型；然后再给不包含筋板的基结构 有限元模型上加载力和约束，求解不包含筋板的基结构有限元模型；最后从求解结果中提 取出不包含筋板的基结构有限元模型的受力点位置、受力方向和大小信息，受约束点位置、 约束方向信息，所有节点位置信息以及基结构的刚度矩阵KKG，假设整个基结构有η个节 点，那么矩阵KKG为6*η阶矩阵； 3. 2)求解各个筋板的刚度矩阵并将其组装： 首先定义筋板使用shell63单元建立，筋板的弹性模量按照实际生产所用材料的弹性 模量设定，不做柔化处理；然后根据设计变量X所描述的筋板的厚度向量S与端点坐标向 量C，编辑程序得出每一个筋板在整体坐标系下的单元刚度矩阵；假定总共有m个筋板，那 么可以得到m个单元刚度矩阵KKt(t = 1、2......m)每个矩阵均为24阶方阵； 将各个筋板的单元刚度矩阵KKt (t = 1、2......m)依次沿对角线拼接在一起，形成一 个24*m阶的整体刚度矩阵K，其中没有被定义到的元素均置为零； 3. 3)求解转换矩阵T : 转换矩阵T由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵Htl，即T=H ·1^ ; 求解H:上式取基结构η个节点中的一个节点i，定义该点坐标为Xpyp zi;取m个筋板上所有 4*m个顶点中的一个节点j，定义该点坐标为Xj、yj、zj;dsp值为基结构两个相邻节点间距离 的2-10倍； 求解Htl:上式取基结构η个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和X Zq; 3. 4)、求出总刚度矩阵 KBB :KBB = Tt · K · T+KKG 3. 5)、计算结构应变能函数J :利用总刚度矩阵KBB以及受力信息求基板节点位移UUG， 继而求出整个结构的应变能函数，应变能函数J = 0. 5*UUGT · KBB · UUG ; 3. 6)、计算应变能函数J对各个变量求偏导后的数值； 4) 、迭代优化：将目标函数GHG值、约束条件值、目标函数和约束条件的允许变化范围 以及目标函数和约束条件对各个变量的偏导数导入MM算法即完成一次迭代，每次迭代的 最终会实现一次对所有设计变量的更新，这组新的设计变量将被用于下一轮优化之中，最 后得到初步优化布局； 5) 后处理：参照初步优化布局进行圆整处理，再根据加工工艺要求以及制造装配要求 进一步修改布局，得到最优设计； 6) 、验证：将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能合乎 要求，碳排量明显下降。
【专利摘要】一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，先测算GHG排放，然后计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导，再建立不包含筋板的基结构有限元模型，并使用刚度融合准则将筋板所贡献的刚度与不包含筋板的基结构刚度融合为一体，从而计算出待优化结构的应变能函数J并求其对各个变量的偏导，然后以应变能函数J为约束条件，使用MMA方法迭代优化，以此得到初步优化布局，然后进行人工圆整处理，得到最优设计，最后进行验证，将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能合乎要求，碳排量明显下降，本发明方法可以达到减少生产制造过程中GHG排放的目的。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899376
【申请号】CN201510312389
【发明人】李宝童, 刘宏磊, 闫素娜, 杨骅, 洪军
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
【技术领域】
[0001] 本发明属于减少装备制造过程中温室气体排放技术领域，具体涉及一种面向低碳 制造的焊接箱型梁智能优化设计方法。 技术背景
[0002] 在温室气体（GreenhouseGas,GHG)排放中，制造业占据了超过一半的比重，是减 排的重中之重；以箱型梁为研宄目标，在传统的设计制造过程中，针对降低箱型梁GHG排量 而进行的优化非常稀少，在多数情况下优化设计还停留于降低材料用量这一目的；以减少 材料为目的的优化方法虽然可以在一定程度上起到减少GHG排放的效果，但依旧存在优化 目的不清楚，优化效果随机性较大，无法达到最优设计的问题；
【发明内容】
[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向低碳制造的焊接 箱型梁智能优化设计方法，利用该方法可以达到减少生产中GHG排放的目的。
[0004] 为达到上述目标，本发明采取的技术方案为：
[0005] -种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，包括以下步骤：
[0006]1)、测算GHG排放：利用测量仪器测算出箱型梁生产环节的GHG排放量，生产环节 包括开采资源、冶金、焊接、机械加工过程的GHG排放，将各生产环节的GHG排放量以千克二 氧化碳当量（kgC02e)的形式转化为同等质量的C02;
[0007]2)、计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导：
[0008] 设计变量x为箱型梁所有筋板的厚度向量S与端点坐标向量C，按照步骤1)中所 测得的数据建立温室气体排放的数学表达形式，也就是目标函数GHG，
[0009]GHG(x) =Gmeterial (x) +Gcutting (x) +Gwelding (x)
[0010] Gmeterial (x) -msteelXksteei
[0011 ] Gcutting (x) =mcXkc+m〇Xko+mC02+EcutXkE
[0012] Gwelding (x)-mweldingXkwelding+mc〇2XkC02+mC02+EweldingXkE
[0013]G- (x)为制造筋板的GHG排放量，msteel为所用筋板的总质量，ksteel为制造单位 质量筋板的GHG排放当量；Gratting(X)为切割筋板的GHG排放量，m。为切割时所用C3H8的质 量，k。为制造单位质量C3H8时的GHG排放当量，m。为切割时所用0 2的质量，k。为制造单位 质量O^GHG排放当量，ma)2为切割过程中产生的C02质量，Erat为切割时的用电量，kA 单位电能的GHG排放当量；G"lding(x)为零件焊接的GHG排放量，mirelding为所用焊丝的质量， kweldingS制造单位质量焊丝的GHG排放当量，m' ?2为二氧化碳气体保护焊所用的0)2质 量，kro2为制备单位质量C0 2时的GHG排放当量，m〃ra2为焊接过程中产生的C0 2质量，Ewelding 为焊接用电量，
[0014] 然后求出目标函数GHG对各个变量的偏导值；
[0015] 3)、计算有待优化结构的应变能函数J及其对各个变量的偏导：
[0016] 建立笛卡尔坐标系，以zoy面作为筋板位置的变换平面，力沿与X轴平行的方向加 载在箱型梁结构上，求出应变能函数J，采用刚度扩散准则求解，具体步骤如下：
[0017] 3. 1)、建立不包含筋板的基结构有限元模型，并求解：
[0018] 首先在有限元分析软件中建立不包含筋板的待优化箱型梁结构；使用shell63单 元作为箱型梁结构六个面的壁板，壁板的弹性模量按实际生产时所用材料的弹性模量选 取；本箱型梁结构内部使用横平竖直的网格结构，这种网格结构使用beaml88单元将每一 个节点都与其前后左右上下的其它6各节点相连，从而构造出横平竖直的网格结构；同时 将这个网格结构中的各个beaml88单元弹性模量都定义为远小于壁板的弹性模量，这一步 称为柔化处理；如此便建立出了不包含筋板的基结构有限元模型；然后再给不包含筋板的 基结构有限元模型上加载力和约束，求解不包含筋板的基结构有限元模型；最后从求解结 果中提取出不包含筋板的基结构有限元模型的受力点位置、受力方向和大小信息，受约束 点位置、约束方向信息，所有节点位置信息以及基结构的刚度矩阵KKG，假设整个基结构有 n个节点，那么矩阵KKG为6*n阶矩阵；
[0019] 3. 2)求解各个筋板的刚度矩阵并将其组装：
[0020] 首先定义筋板使用Shell63单元建立，筋板的弹性模量按照实际生产所用材料的 弹性模量设定，不做柔化处理；然后根据设计变量x所描述的筋板的厚度向量S与端点坐 标向量C，编辑程序得出每一个筋板在整体坐标系下的单元刚度矩阵；假定总共有m个筋 板，那么可以得到m个单元刚度矩阵KKt(t= 1、2~...m)每个矩阵均为24阶方阵；
[0021] 将各个筋板的单元刚度矩阵KKt(t= 1、2~...m)依次沿对角线拼接在一起，形成 一个24*m阶的整体刚度矩阵K，其中没有被定义到的元素均置为零；
[0022] 3. 3)求解转换矩阵T:
[0023] 转换矩阵T由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵％，即T=H_ %1 ;
[0024]求解H:
[0027]其中：
[0030] 上式取基结构n个节点中的一个节点i，定义该点坐标为Xpypzi;取m个筋板上 所有4*m个顶点中的一个节点j，定义该点坐标为Xj、y』、zj;dsp值为基结构两个相邻节点 间距离的2-10倍；
[0031]求解H0:
[0034]其中：
[0037] 上式取基结构n个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和 Xq、Yq、Zq;
[0038] 3. 4)、求出总刚度矩阵KBB:KBB=Tt ?K?T+KKG
[0039] 3. 5)、计算结构应变能函数J:利用总刚度矩阵KBB以及受力信息求基板节点位移 UUG，继而求出整个结构的应变能函数，应变能函数J= 0. 5*UUGT ?KBB?UUG;
[0040] 3. 6)、计算应变能函数J对各个变量求偏导后的数值；
[0041] 4)、迭代优化：将目标函数GHG值、约束条件值、目标函数和约束条件的允许变化 范围以及目标函数和约束条件对各个变量的偏导数导入MMA算法即完成一次迭代，每次迭 代的最终会实现一次对所有设计变量的更新，这组新的设计变量将被用于下一轮优化之 中，最后得到初步优化布局；
[0042] 5)后处理：参照初步优化布局进行圆整处理，再根据加工工艺要求以及制造装配 要求进一步修改布局，得到最优设计；
[0043]6)、验证：将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能 合乎要求，碳排量明显下降。
[0044] 本发明的有益效果为：
[0045] 与传统优化方法相比，本发明给出了一种以减少GHG排放为目标的优化方法，精 确解算制造过程中GHG排放量及形式，运用刚度扩散准则在保证刚度不下降的前提下给出 有数学依据的设计方案，因此这种方法较之于传统方法优化目标明确定位在降低温室气体 排放上，目标更加明确，效果更加显著，同时因为有数学支持使得结果更加可靠；此外，本方 法在减排的同时还附带降低原材料以及生产耗材使用量的效果，既能为企业节省大量生产 成本，又可以带来显著的环保效益，满足国家节能减排任务；这种方法也可以推而广之，所 得成果同样可用于梁、立柱等承载件的低碳设计中，实际应用中还请设计者灵活调整。
【附图说明】
[0046] 图1为实施例200次迭代后得到最终收敛的各个筋板的位置图与应变能碳排量等 信息图，其中图a是筋板初步优化后的布局图；图b是被优化结构的应变能随迭代次数变化 图；图c是筋板质量随迭代次数变化图；图d是被优化结构的总碳排量随迭代次数变化图； 图e是被优化结构的材料碳排量随迭代次数变化图；图f?是被优化结构的切割碳排量随迭 代次数变化图；图g是被优化结构的焊接碳排量随迭代次数变化图。
[0047] 图2为实施例圆整后的结构示意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合RZU2000HM型液压机中的上横梁对本发明作进一步说明。
[0049] 一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，包括以下步骤：
[0050] 1)、测算GHG排放：利用测量仪器测算出箱型梁生产环节的GHG排放量，生产环节 包括开采资源、冶金、铸造、焊接、机械加工过程使用资源和能源所带来的GHG排放，将各生 产环节的GHG排放量以千克二氧化碳当量（kgC02e)的形式转化为同等质量的C02;
[0051] 2)、计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导：
[0052] 设计变量x为箱型梁所有筋板的厚度向量S与端点坐标向量C，按照步骤1)中所 测得的数据建立温室气体排放的数学表达形式，也就是目标函数GHG:
[0053] GHG(x) =Gmeterial (x) +Gcutting (x) +Gwelding (x)
[0058]Gmeterial (x)为制造筋板的GHG排放量，Gcutting (x)为切割筋板的GHG排放量， Gwelding(x)为零件焊接的GHG排放量，m为筋板总数，本实例中m= 18,Si为第i块筋板的 厚度，Q为第i块筋板的长度，xn、yn、zn为第i块筋板上一点il的坐标，xi2、yi2、zi2为第 i块筋板与il点在同一长边上的另一点i2的坐标，w。为割口宽度，h为箱型梁总高度，Q。 为切割时C3H8流速，Q。为切割时CO2流速，为焊接时C02流速，巧为当地二氧化碳气 体的密度，U为焊接时电压；I为焊接时电流，以上各个量均使用国际标准单位；
[0059] 3)、计算有待优化结构的应变能函数J及其对各个变量的偏导：
[0060] 首先确定坐标系的建立形式，由于筋板的变化总保持与受力面垂直，从而支撑结 构，所以这里建立笛卡尔坐标系，以zoy面作为筋板位置的变换平面，力沿与X轴平行的方 向加载在箱型梁结构上，求出应变能函数J，采用刚度扩散准则求解，具体步骤如下：
[0061] 3. 1)、建立不包含筋板的基结构的有限元模型，并求解：
[0062] 首先在有限元分析软件中建立不包含筋板的待优化箱型梁结构；使用shell63单 元作为箱型梁结构六个面的壁板，壁板的弹性模量设为2. 06*enm3/kg;本箱型梁结构内部 使用横平竖直的网格结构，这种网格结构使用beaml88单元将每一个节点都与其前后左右 上下的其他6个节点相连，从而构造出横平竖直的网格结构；同时将这个网格结构中的各 个beaml88单元弹性模量都定义为应远小于壁板的弹性模量，这里将beaml88单元的弹性 模量设为2. 06*e7m3/kg，这一步称为柔化处理；鉴于上 横梁的结构及所受载荷和约束边界 均关于z〇x和y〇z平面对称，因此只取横梁结构的四分之一来构建基结构以节约计算成本， 提高计算效率；如此便建立出了不包含筋板的基结构有限元模型；然后在给不包含筋板的 基结构有限元模型上加载力和约束，求解不包含筋板的基结构有限元模型；最后从求解结 果中提取出不包含筋板的基结构有限元模型的受力点位置、受力方向和大小信息，受约束 点位置、约束方向信息，所有节点位置信息以及不包含筋板的基结构的刚度矩阵KKG，假设 整个基结构有270个节点，那么矩阵KKG为1620阶矩阵；
[0063]3. 2)、求解各个筋板的刚度矩阵并将其组装：
[0064] 首先定义筋板使用shell63单元建立，筋板的弹性模量按照实际生产所用材料的 弹性模量设定，不做柔化处理；然后根据设计变量x所描述的筋板的厚度向量S与端点坐 标向量C，编辑程序得出壳单元shell63在整体坐标系下的单元刚度矩阵；为了更加准确地 模拟筋板的支撑作用，需要将每一块筋板都细分成相连在一起的多块筋板，本实例中将所 有筋板总共细分成18个筋板，那么可以得到18个单元刚度矩阵，将这些单元刚度矩阵命名 为KKt(t= 1、2…18)，每个矩阵均为24阶方阵；
[0065] 将各个筋板的单元刚度矩阵KKt(t= 1、2….18)依次沿对角线拼接在一起，形 成一个432阶的整体刚度矩阵K，其中没有被定义到的元素均置为零；
[0066] 3. 3)、求解转换矩阵T:
[0067] 转换矩阵T的作用是将所有筋板所贡献的刚度转化融合到基结构中，转换矩阵T 由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵&，即TilH。1;
[0068] 求解H:
[0069]
[0071]其中：
[0074] 上式取基结构n个节点中的一个节点i，定义该点坐标为Xpypzi;取m个筋板上 所有4*m个顶点中的一个节点j，定义该点坐标为Xj、yj、zj;dsp为一个人为设定的参数，其 值需要通过多次优化运算试出来，通常选取的dsp值为基结构两个相邻节点间距离的两倍 左右，本例中选取dsp为基结构两个相邻节点间距离的2. 2倍；
[0075] 求解H0:
[0078]其中：
[0081] 上式取基结构n个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和 Xq、Yq、Zq;
[0082] 3. 4)、求出总刚度矩阵KBB:这里使用刚刚求出的转换矩阵T将筋板的整体刚度 矩阵和基结构的刚度矩阵融合为一体，从而求出整个箱型梁结构的总刚度矩阵KBB:KBB= Tt ?K?T+KKG
[0083] 3. 5)、计算结构应变能函数J:用融合基结构刚度和筋板刚度的总刚度矩阵KBB 以及受力信息求基板节点位移UUG，继而求出整个结构的应变能函数，应变能函数J= 0. 5*UUGT ?KBB?UUG，
[0084] 显然参与计算应变能函数J的过程之中，所涉及的变量有且只有所有设计变量， 也就是所有筋板的厚度信息与位置信息，将这些变量的变量值带入变能函数J便得到该箱 型梁结构在承载状态下的应变能数值；
[0085]3. 6)、应变能函数J对各个变量求偏导，由于计算应变能函数J的过程之中参与计 算的变量有且只有所有设计变量；因此这里需要计算应变能函数J对每一个设计变量的偏 导；然后将所有的变量值带入可以得到应变能对各个变量求偏导后的数值；
[0086] 4)、迭代优化：将目标函数GHG值、约束条件值、目标函数和约束条件的允许变 化范围以及目标函数和约束条件对各个变量的偏导数导入MMA算法即完成一次迭代，在 MATLB计算的结构应变能为1260J，这里便将应变能上线设定为1260J;将上面所求得的值 带入MMA算法当中，从而得到新一轮的优化值；重复上面的过程，进行200次迭代后得到初 始优化布局，如图1所示；
[0087] 5)、后处理：初始优化布局比较杂乱但又拥有比较强的排布规律，此外还有一些筋 板变得非常薄，可以约去，因此需要进行圆整处理；这里参照得到的初步优化布局中筋板的 走向布置筋板，同时需要将相邻的筋板合并成为整块，最后根据加工工艺要求以及制造装 配要求进一步修改布局及筋板厚度，得到最优设计，如图2所示；
[0088] 6)、验证：将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能 合乎要求，碳排量明显下降，
[0089] 验证圆整后的优化结果并与原始结构作对比，从中可以看到优化后的上横梁结 构总质量下降11. 47%，筋板部分质量下降28. 85%，应变能降低0. 85%，筋板碳排量降低 29. 88 % 〇
【主权项】
1. 一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、测算GHG排放：利用测量仪器测算出箱型梁生产环节的GHG排放量，生产环节包括 开采资源、冶金、焊接、机械加工过程的GHG排放，将各生产环节的GHG排放量以千克二氧化 碳当量（kgC02e)的形式转化为同等质量的CO2; 2) 、计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导： 设计变量X为箱型梁所有筋板的厚度向量S与端点坐标向量C，按照步骤1)中所测得 的数据建立温室气体排放的数学表达形式，也就是目标函数GHG， GHG (x) 一 Gmeterial (x) +Gcutting (x) +Gwelding (x) Gmeterial (X) = msteel X k steel Gcutting (x) = mc X kc+m〇 X ko+mC02+Ecut X kE Gweiding(x) -11WdingX kwelding+m c〇2 X kc〇2+m c〇2+Ewelding X kE (X)为制造筋板的GHG排放量，mstMA所用筋板的总质量，k &61为制造单位质量 筋板的GHG排放当量；Gratting (X)为切割筋板的GHG排放量，m。为切割时所用C 3H8的质量，k。 为制造单位质量C3H8时的GHG排放当量，m。为切割时所用0 2的质量，k。为制造单位质量0 2的GHG排放当量，Hias为切割过程中产生的CO 2质量，E 为切割时的用电量，k E为单位电能 的GHG排放当量；Gwelding(x)为零件焊接的GHG排放量，Hiirelding为所用焊丝的质量，k _~为 制造单位质量焊丝的GHG排放当量，m' ?2为二氧化碳气体保护焊所用的CO2质量，为 制备单位质量CO2时的GHG排放当量，m〃 ω2为焊接过程中产生的CO 2质量，E weldingS焊接用 电量， 然后求出目标函数GHG对各个变量的偏导值； 3) 、计算有待优化结构的应变能函数J及其对各个变量的偏导： 建立笛卡尔坐标系，以zoy面作为筋板位置的变换平面，力沿与X轴平行的方向加载在 箱型梁结构上，求出应变能函数J，采用刚度扩散准则求解，具体步骤如下： 3. 1)、建立不包含筋板的基结构有限元模型，并求解： 首先在有限元分析软件中建立不包含筋板的待优化箱型梁结构；使用shell63单元作 为箱型梁结构六个面的壁板，壁板的弹性模量按实际生产时所用材料的弹性模量选取；本 箱型梁结构内部使用横平竖直的网格结构，这种网格结构使用beaml88单元将每一个节点 都与其前后左右上下的其它6各节点相连，从而构造出横平竖直的网格结构；同时将这个 网格结构中的各个beaml88单元弹性模量都定义为远小于壁板的弹性模量，这一步称为柔 化处理；如此便建立出了不包含筋板的基结构有限元模型；然后再给不包含筋板的基结构 有限元模型上加载力和约束，求解不包含筋板的基结构有限元模型；最后从求解结果中提 取出不包含筋板的基结构有限元模型的受力点位置、受力方向和大小信息，受约束点位置、 约束方向信息，所有节点位置信息以及基结构的刚度矩阵KKG，假设整个基结构有η个节 点，那么矩阵KKG为6*η阶矩阵； 3. 2)求解各个筋板的刚度矩阵并将其组装： 首先定义筋板使用shell63单元建立，筋板的弹性模量按照实际生产所用材料的弹性 模量设定，不做柔化处理；然后根据设计变量X所描述的筋板的厚度向量S与端点坐标向 量C，编辑程序得出每一个筋板在整体坐标系下的单元刚度矩阵；假定总共有m个筋板，那 么可以得到m个单元刚度矩阵KKt(t = 1、2......m)每个矩阵均为24阶方阵； 将各个筋板的单元刚度矩阵KKt (t = 1、2......m)依次沿对角线拼接在一起，形成一 个24*m阶的整体刚度矩阵K，其中没有被定义到的元素均置为零； 3. 3)求解转换矩阵T : 转换矩阵T由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵Htl，即T=H ·1^ ; 求解H:上式取基结构η个节点中的一个节点i，定义该点坐标为Xpyp zi;取m个筋板上所有 4*m个顶点中的一个节点j，定义该点坐标为Xj、yj、zj;dsp值为基结构两个相邻节点间距离 的2-10倍； 求解Htl:上式取基结构η个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和X Zq; 3. 4)、求出总刚度矩阵 KBB :KBB = Tt · K · T+KKG 3. 5)、计算结构应变能函数J :利用总刚度矩阵KBB以及受力信息求基板节点位移UUG， 继而求出整个结构的应变能函数，应变能函数J = 0. 5*UUGT · KBB · UUG ; 3. 6)、计算应变能函数J对各个变量求偏导后的数值； 4) 、迭代优化：将目标函数GHG值、约束条件值、目标函数和约束条件的允许变化范围 以及目标函数和约束条件对各个变量的偏导数导入MM算法即完成一次迭代，每次迭代的 最终会实现一次对所有设计变量的更新，这组新的设计变量将被用于下一轮优化之中，最 后得到初步优化布局； 5) 后处理：参照初步优化布局进行圆整处理，再根据加工工艺要求以及制造装配要求 进一步修改布局，得到最优设计； 6) 、验证：将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能合乎 要求，碳排量明显下降。
【专利摘要】一种面向低碳制造的焊接箱型梁智能优化设计方法，先测算GHG排放，然后计算目标函数GHG及其对各个变量的偏导，再建立不包含筋板的基结构有限元模型，并使用刚度融合准则将筋板所贡献的刚度与不包含筋板的基结构刚度融合为一体，从而计算出待优化结构的应变能函数J并求其对各个变量的偏导，然后以应变能函数J为约束条件，使用MMA方法迭代优化，以此得到初步优化布局，然后进行人工圆整处理，得到最优设计，最后进行验证，将人工圆整后的筋板布局重新带入分析软件中分析，确保结构的应变能合乎要求，碳排量明显下降，本发明方法可以达到减少生产制造过程中GHG排放的目的。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899376
【申请号】CN201510312389
【发明人】李宝童, 刘宏磊, 闫素娜, 杨骅, 洪军
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
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