分析汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件焊縫設(shè)計(jì)

陳峰 王旭

【摘 要】汽車(chē)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件是汽車(chē)部件當(dāng)中起著關(guān)鍵性作用的部分，能否將這部分零部件焊接成功對(duì)汽車(chē)制造的發(fā)展起著奠基性的作用。本文主要對(duì)汽車(chē)底盤(pán)各工況的工作載荷與焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了合成計(jì)算并對(duì)各焊縫的承載性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，最后選擇改變焊縫數(shù)量、長(zhǎng)度以及焊縫位置的方法對(duì)焊縫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】汽車(chē)底盤(pán)；焊縫設(shè)計(jì)

引言

后橋和副車(chē)架是底盤(pán)結(jié)構(gòu)的重要部件。后橋是用來(lái)支撐和連接后車(chē)輪的裝置，若是前橋驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛，那么后橋僅僅起到承載的作用，若是后橋驅(qū)動(dòng)，除了承載作用，還起到驅(qū)動(dòng)、減速和差速的作用；副車(chē)架并非完整的車(chē)架，只是支承前后車(chē)橋、懸掛的支架，通過(guò)它使車(chē)橋、懸掛再與“正車(chē)架”相連，習(xí)慣上稱(chēng)為“副架”，副車(chē)架的作用是阻隔振動(dòng)和噪聲，減少其直接進(jìn)入車(chē)廂。

1、汽車(chē)底盤(pán)焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究方法

1.1、焊縫承載評(píng)價(jià)方法

焊縫承載評(píng)價(jià)方法是汽車(chē)底盤(pán)焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究最為重要的組成部分，其為焊縫安全校核的前提。首先對(duì)后橋的懸架臂和襯套管進(jìn)行工藝試驗(yàn)，包括焊接熱過(guò)程和殘余應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)。采用無(wú)紙記錄儀測(cè)量出沿著焊縫方向和垂直焊縫方向各測(cè)試點(diǎn)的焊接熱過(guò)程曲線(xiàn)，利用小孔法得到焊縫近縫區(qū)的縱向和橫向焊接殘余應(yīng)力大小，為驗(yàn)證焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的正確性提供參考依據(jù)。其次是建立三維有限元模型，利用ANSYS有限元軟件對(duì)懸架臂和襯套管進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，獲取與實(shí)際試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的焊接熱過(guò)程曲線(xiàn)以及焊接殘余應(yīng)力大小，當(dāng)實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算結(jié)果相吻合時(shí)就認(rèn)為焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果是正確的，然后采用ANSYS的讀寫(xiě)命令“INISTATE”得到“.ist”格式的焊接殘余應(yīng)力文件。

1.2、焊縫安全校核

采用在計(jì)算懸架臂和襯套管焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)時(shí)的參數(shù)命令對(duì)后橋和副車(chē)架進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算。由于后橋和副車(chē)架是在多個(gè)工位（多個(gè)變位機(jī)）上組焊完成的，所以在對(duì)其進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算出各個(gè)工位上所焊接部件的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，并得到“.ist”格式的焊接殘余應(yīng)力文件。將各個(gè)工位上所焊部件的焊接應(yīng)力文件作為初始載荷與后橋和副車(chē)架在實(shí)際工作中所承受的工作載荷進(jìn)行合成計(jì)算，當(dāng)把每一個(gè)工況的工作載荷與焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行合成計(jì)算后，提取出各焊縫在所有工況中的最大合成應(yīng)力值σmax=max{{σxmax，σymax，σzmax}1.....{σxmax，σymax，σzmax}n，n表示工況數(shù)}，并代入安全系數(shù)N的計(jì)算公式中，得到各焊縫的最小安全系數(shù)，最后根據(jù)焊縫安全系數(shù)范圍評(píng)價(jià)焊縫是否發(fā)生失效，并與實(shí)測(cè)結(jié)果比較來(lái)檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的正確性。

2、底盤(pán)結(jié)構(gòu)件有限元模型建立

底盤(pán)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，后橋結(jié)構(gòu)主要由懸架臂、襯套管、橫梁、彈簧支架、減震器支架以及支撐板等零件組成，副車(chē)架結(jié)構(gòu)主要由前梁上下片、前襯套加強(qiáng)板、橫梁前支撐管總成等組成。本文采用HYPERMESH軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類(lèi)型為SOLID70。在劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)注意將焊縫與母材交界面的單元的節(jié)點(diǎn)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。

3、焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算

3.1、有限元模型的轉(zhuǎn)換

在計(jì)算焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，不需要再重新建立有限元模型，當(dāng)焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合后，然后就可以模擬焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)了。如果焊接溫度場(chǎng)計(jì)算完成后沒(méi)有退出ANSYS軟件，只需再次進(jìn)入前處理器/prep7中，通過(guò)單元轉(zhuǎn)換命令ETCHG，TTS將SOLID70熱單元轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的SOLID185結(jié)構(gòu)單元，這兩種單元的幾何形狀相同（SOLID185與SOLID70相比沒(méi)有四棱錐形單元），SOLID185單元用于結(jié)構(gòu)三維固體結(jié)構(gòu)，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著X、Y、Z方向平移的自由度，單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力，還可以采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。

3.2、材料力學(xué)性能參數(shù)

在焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算前，首先要確定材料的力學(xué)性能參數(shù)，例如泊松比、彈性模量、線(xiàn)膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度以及切變模量等，同樣，在高溫區(qū)（700℃以上）的材料的力學(xué)性能參數(shù)是空白的，因此通常采用外推法來(lái)確定。

3.3、約束位置的確定

工件在進(jìn)行焊接的時(shí)候，其一些部位會(huì)被一些夾具固定著，這些夾具的作用是為了防止工件在焊接過(guò)程中發(fā)生各種形式的變形，例如收縮變形、撓曲變形、角變形、波浪變形、錯(cuò)邊變形以及扭曲變形等，因此在焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬過(guò)程中，需要對(duì)模型進(jìn)行約束，約束位置要根據(jù)實(shí)際工件上夾具所夾持的位置來(lái)確定。

4、焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

4.1、焊接應(yīng)力場(chǎng)的分

懸架臂和襯套管的焊接應(yīng)力場(chǎng)云圖得出，沿著焊縫方向上的焊接應(yīng)力場(chǎng)，由于襯套管的邊緣施加了約束，并且這個(gè)位置離焊縫比較近，溫度比較高，因此其冷卻收縮過(guò)程受到阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力；在焊縫及近縫區(qū)，由于該位置溫度較高（達(dá)到金屬熔點(diǎn)，本文是1500℃），而周?chē)饘傧鄬?duì)較冷，因此焊縫及近縫區(qū)金屬受到周?chē)浣饘俚淖璧K作用而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而焊縫兩端受到的阻礙較小，因此拉應(yīng)力較小。同時(shí)，從懸架臂和襯套管的焊接應(yīng)力場(chǎng)云圖得出，沿著垂直于焊縫方向上的焊接應(yīng)力場(chǎng)，在焊縫近縫區(qū)以?xún)啥藶閴簯?yīng)力、中間為拉應(yīng)力為主，但隨著距焊縫距離的增加，拉應(yīng)力值逐漸降低，而遠(yuǎn)離焊縫的位置為壓應(yīng)力，而在焊縫區(qū)以?xún)啥藶槔瓚?yīng)力、中間為壓應(yīng)力為主。

4.2、實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果比較

焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算完畢后，提取與在進(jìn)行測(cè)量焊接殘余應(yīng)力時(shí)所鉆小孔相對(duì)應(yīng)位置的焊接殘余應(yīng)力大小，實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出，個(gè)別點(diǎn)的實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果有些誤差，但各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力值所連接成的曲線(xiàn)的趨勢(shì)相吻合，說(shuō)明了計(jì)算結(jié)果的正確性。

4.3、焊接變形優(yōu)化

影響焊接變形的因素很多，例如焊接工藝參數(shù)的選擇、焊接結(jié)構(gòu)形狀及材料、焊接方法的選擇以及焊接順序及方向等。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面考慮，首先選擇改變焊縫的焊接順序及焊接方向的方法抑制焊接變形，若改進(jìn)結(jié)果無(wú)法滿(mǎn)足要求，再依次選擇改變焊接工藝參數(shù)、焊接件結(jié)構(gòu)形狀及材料和焊接方法等方法優(yōu)化焊接變形。

5、關(guān)于焊接的具體流程和注意事項(xiàng)

對(duì)于汽車(chē)底盤(pán)的結(jié)構(gòu)焊接有很多需要注意的事項(xiàng)，具體的流程是汽車(chē)企業(yè)非常注意的，在流程中有一些方案需要很多的注意事項(xiàng)。只有將具體的流程貫徹下去，才能夠?qū)⑵?chē)底盤(pán)的操作科學(xué)化合理化。對(duì)于焊接的形狀需要進(jìn)行針對(duì)性研究，只有進(jìn)行精密對(duì)比才能夠得出正確的焊接圖紙，對(duì)焊接的具體操作提供指導(dǎo)，在理論上給出堅(jiān)強(qiáng)的支撐。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面需要把具體的技術(shù)方案進(jìn)行貫徹，在技術(shù)創(chuàng)新的的基礎(chǔ)之上，把各項(xiàng)的技術(shù)要求真正落實(shí)到具體的技術(shù)操作中。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)汽車(chē)底盤(pán)（后橋和副車(chē)架）進(jìn)行了焊接熱過(guò)程的測(cè)量試驗(yàn)，得到了沿著焊縫方向和垂直于焊縫方向各測(cè)試點(diǎn)的焊接熱過(guò)程曲線(xiàn)；采用小孔法對(duì)懸架臂和襯套管進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試，得到了個(gè)測(cè)試點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力σx和橫向殘余應(yīng)力σy，為校核焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算結(jié)果的正確性奠定了基礎(chǔ)。

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（作者單位：精誠(chéng)工科汽車(chē)系統(tǒng)有限公司底盤(pán)研究院）