改善扭力梁橫梁內(nèi)加強(qiáng)板焊縫開裂的截面模量解析方法

藺小軒，韓吉祥，陳衍標(biāo)，姚海峰

(柳州五菱汽車工業(yè)公司技術(shù)中心，廣西柳州 545027)

0 引言

扭力梁由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造的特點(diǎn)是現(xiàn)在大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型乘用車普遍采用的一種半獨(dú)立后懸架技術(shù)。在車輛運(yùn)行過程中，縱臂雖然上下運(yùn)動(dòng)幅度較大，但由于縱臂一端通過襯套管內(nèi)的橡膠件與車架非剛性連接，另外一端通過車輪支架與車輪連接，當(dāng)車輪上下跳躍時(shí)，兩側(cè)縱臂大多以各自襯套為中心做相反方向的整體運(yùn)動(dòng)，車輪所受的地面作用力大部分通過橫梁的扭轉(zhuǎn)來消化。也就是說縱臂與橫梁交接處的橫梁截面部分受扭力最大，也是扭力梁結(jié)構(gòu)常見的一處薄弱點(diǎn)(見圖1)。為了增強(qiáng)橫梁此處的扭轉(zhuǎn)剛度，設(shè)計(jì)上常常在橫梁內(nèi)側(cè)添加一塊加強(qiáng)板，但扭力梁扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中常出現(xiàn)問題的地方是在橫梁內(nèi)加強(qiáng)板上末端的焊縫處(見圖2)。

圖1 扭力梁

圖2 加強(qiáng)板開裂

一般認(rèn)為此處的焊縫應(yīng)力太過于集中， 解決辦法除了優(yōu)化焊接參數(shù)減少焊接缺陷外，最常采取的則是通過CAE分析改善加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高加強(qiáng)板的加強(qiáng)效果，減小開裂焊縫處的焊縫受力。這個(gè)過程也會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問題，即CAE分析需要其他專業(yè)人員進(jìn)行且建模復(fù)雜、分析周期太長。

其實(shí)也可以采用材料力學(xué)方面的截面模量理論對(duì)橫梁加強(qiáng)板有針對(duì)性地進(jìn)行計(jì)算分析，從而找出優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減小焊縫受力的辦法，并且這個(gè)過程不需要其他CAE專業(yè)人員，一般工程師都可獨(dú)立完成。

1 方法解析

1.1 截面模量的概念及關(guān)注點(diǎn)

截面模量是構(gòu)件的一種截面幾何參量，用來計(jì)算構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度，符號(hào)W，單位mm3。截面模量的關(guān)注點(diǎn)主要是與構(gòu)件垂直受力方向截面的實(shí)體面積變化和壁厚變化，如果這個(gè)方向的實(shí)體面積和壁厚越大則構(gòu)件的截面模量越大，其抗彎抗扭能力越大(見圖3、圖4)。相應(yīng)地如果這個(gè)構(gòu)件是焊接件，則隨著截面模量的增大，焊縫的受力就會(huì)減小，也就是說減小了構(gòu)件焊縫的應(yīng)力集中。

圖3 實(shí)心圓截面模量

圖4 空心方截面模量

1.2 橫梁內(nèi)加強(qiáng)板簡化分析

橫梁內(nèi)加強(qiáng)板可以轉(zhuǎn)化為圖5所示的簡化結(jié)構(gòu)，其中平直部分的長度L1一般在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了橫梁的最大受扭力位置，如果零件壁厚d沒有變化，則在垂直受力方向的截面一般不會(huì)有大的變化，所以這里不作重點(diǎn)分析。

圖5 簡化的加強(qiáng)板

下壓部分與平直部分有個(gè)α的夾角，長度L2取決于夾角及橫梁的內(nèi)部空間，這里重點(diǎn)分析在壁厚d、長度L2已設(shè)計(jì)好的情況下扭力梁扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)如果出現(xiàn)圖2所示焊縫的開裂現(xiàn)象，利用截面模量的分析方法如何調(diào)整夾角α來優(yōu)化加強(qiáng)板的加強(qiáng)效果、減小焊縫受力、減小焊縫處應(yīng)力集中，從而提高整個(gè)扭力梁的扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)次數(shù)。

1.3 不同夾角α?xí)r加強(qiáng)板下壓部分垂直受力方向截面的實(shí)體面積變化

假設(shè)加強(qiáng)板寬為40 mm，d=4 mm，L1=50 mm，L2=60 mm，α分別為20°、30°、40°、50°；為了方便計(jì)算，取橫梁為∩形，這樣加強(qiáng)板在垂直受力方向的截面簡化為空心方截面形式(見圖6)。

圖6 不同夾角截面

對(duì)以上數(shù)據(jù)根據(jù)圖4所列尺寸進(jìn)行整理，列入表1；根據(jù)圖4里的公式進(jìn)行不同夾角時(shí)加強(qiáng)板下壓部分的截面模量計(jì)算，列入表2。從中可看到：當(dāng)加強(qiáng)板下壓部分的夾角適當(dāng)變大時(shí)，垂直受力方向截面的實(shí)體面積和截面模量也在增大，即其抗彎抗扭能力在增大，相應(yīng)地下壓部分尖角處的焊縫受力會(huì)相應(yīng)減小，焊縫應(yīng)力集中問題得到改善。

表1 整理的不同夾角截面尺寸

表2 圖6所示截面的截面模量相關(guān)計(jì)算結(jié)果

1.4 不同夾角α?xí)r加強(qiáng)板下壓部分垂直受力方向截面的壁厚變化

繼續(xù)以第1.3節(jié)里的加強(qiáng)板為研究對(duì)象，將夾角α分別為20°、30°、40°、50°時(shí)的垂直受力方向截面的壁厚變化簡化為實(shí)心圓截面形式(見圖7)。

圖7 不同夾角壁厚

對(duì)以上數(shù)據(jù)根據(jù)圖3所列尺寸進(jìn)行整理，并根據(jù)所列公式進(jìn)行不同夾角截面壁厚時(shí)相應(yīng)截面模量的計(jì)算，列入表3。可看到：當(dāng)加強(qiáng)板下壓部分的夾角適當(dāng)變大時(shí)，垂直受力方向截面的壁厚和截面模量也在增大，即其抗彎抗扭能力在不斷增大，相應(yīng)地下壓部分尖角處的焊縫受力會(huì)相應(yīng)減小,焊縫應(yīng)力集中問題得到改善。

表3 圖7所示截面的截面模量相關(guān)計(jì)算結(jié)果

2 實(shí)例驗(yàn)證

公司180X系列開口扭力梁在設(shè)計(jì)封樣后按照行業(yè)扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)標(biāo)，但按照公司扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)長期不能達(dá)標(biāo)(稍嚴(yán)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))，且失效位置較為固定，都在橫梁內(nèi)側(cè)左右加強(qiáng)板末端的焊縫處開裂(見圖8、表4)。

圖8 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

表4 試驗(yàn)要求和試驗(yàn)結(jié)果

按照上面的分析過程，先對(duì)加強(qiáng)板進(jìn)行外形測(cè)量采樣：寬為70 mm，d=4 mm，L1=74 mm，L2=84 mm，α=15.6°。根據(jù)橫梁內(nèi)側(cè)空間情況，夾角α可以調(diào)整為26.5°。

為了便于計(jì)算，假設(shè)橫梁為∩形，這樣當(dāng)加強(qiáng)板其他尺寸都不做調(diào)整只將夾角α由15.6°調(diào)整為26.5°時(shí)加強(qiáng)板下壓部分在垂直受力方向的截面實(shí)體面積變化簡化為圖9，在垂直受力方向截面的壁厚變化簡化為圖10；相應(yīng)各自的截面模量計(jì)算對(duì)照情況列入表5和表6。

圖9 加強(qiáng)板下壓部分在垂直受力方向的截面實(shí)體面積變化

圖10 加強(qiáng)板下壓部分在垂直受力方向截面的壁厚變化

α/(°)B/mmb/mmH/mmh/mm截面模量W/mm3增加系數(shù)15.6706226.718.75793026.5706241.533.5107321.85

表6 圖10的截面模量計(jì)算結(jié)果

可以看到：隨著下壓部分夾角α由15.6°調(diào)整為26.5°，垂直受力方向的實(shí)體面積和壁厚都相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)的截面模量也在增大，這些有助于提高加強(qiáng)板的抗彎抗扭能力，減小加強(qiáng)板尖端焊縫的受力，有助于提高整個(gè)扭力梁的扭轉(zhuǎn)臺(tái)架疲勞次數(shù)。

按這個(gè)分析手工制作26.5°加強(qiáng)板樣件并焊接扭力梁總成兩根，忽略掉有焊接缺陷的一根扭力梁，重點(diǎn)觀察沒有焊接缺陷的一根扭力梁扭轉(zhuǎn)臺(tái)架試驗(yàn)情況，結(jié)果在相同的試驗(yàn)條件下扭轉(zhuǎn)疲勞23.36萬次加強(qiáng)板焊縫才出現(xiàn)了裂紋，驗(yàn)證成功(見表7)。

表7 改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果

3 總結(jié)

對(duì)于扭力梁橫梁內(nèi)側(cè)加強(qiáng)板焊縫開裂問題，不用局限只調(diào)整焊接參數(shù)，可以借助截面模量理論對(duì)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，從而找到優(yōu)化設(shè)計(jì)、減小焊縫受力的方案，也減輕了CAE工程師的工作負(fù)擔(dān)，縮短了因建模所需的長工作周期，提高了工作效率。

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