汽車底盤(pán)焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究

張小兵 張國(guó)馳

【摘 要】汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件是汽車部件當(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)汽車制造的發(fā)展起著奠基性的作用。本文在科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)之上，對(duì)汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件焊接設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，汽車底盤(pán)的零部件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要進(jìn)行專門(mén)的研究才能夠?qū)@些部件有一個(gè)全面的了解，進(jìn)而對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件焊接的設(shè)計(jì)得出正確的設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】汽車底盤(pán)；焊縫設(shè)計(jì)

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車的需求欲望也越來(lái)越強(qiáng)。2009年，我國(guó)國(guó)產(chǎn)汽車年產(chǎn)銷突破1300萬(wàn)輛，標(biāo)志著我國(guó)成為世界第一汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，汽車保有量在8000萬(wàn)輛左右，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)汽車保有量將超過(guò)2億，2030年有可能達(dá)到4.5億輛，由此可以看出我國(guó)汽車工業(yè)正處在一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)汽車企業(yè)大都照搬國(guó)外的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)汽車，不注重研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，這顯然已跟不上我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的需要。此文就是基于汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下對(duì)汽車底盤(pán)（后橋和副車架）焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行的研究。

1、底盤(pán)結(jié)構(gòu)件溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

采用應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的方式對(duì)底盤(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行檢測(cè)，在具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中需要建設(shè)基本的場(chǎng)地，將具體的操作貫徹下去，只有進(jìn)行整體的測(cè)試，才能對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行科學(xué)的測(cè)量。當(dāng)在測(cè)試的過(guò)程中得出溫度合適的結(jié)論之后，需要對(duì)單元賦予材料屬性、施加約束，把以“RTH”結(jié)尾的溫度場(chǎng)文件加載到模型中來(lái)計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。各測(cè)試點(diǎn)殘余應(yīng)力模擬值與實(shí)測(cè)值之比較，雖然各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的值有一定誤差，但其趨勢(shì)保持一致，說(shuō)明了計(jì)算結(jié)果的正確性。

2、焊接應(yīng)力場(chǎng)有限元分析理論

目前，常用的預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)變的方法主要有熱彈塑性法和固有應(yīng)變法。熱彈塑性法通過(guò)跟蹤每一步的熱應(yīng)變行為來(lái)計(jì)算熱應(yīng)力和應(yīng)變，采用這種方法可以查看每一時(shí)刻焊接應(yīng)力和應(yīng)變大小及狀態(tài)，但此方法對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高，對(duì)于一些大型的結(jié)構(gòu)件的焊接應(yīng)力和應(yīng)變的預(yù)測(cè)，采用此方法還比較困難，但隨著大型有限元軟件的開(kāi)發(fā)和計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，此方法還是被很多焊接研究者采用[59，60]。而固有應(yīng)變法主要用于大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形，如果采用此方法預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力，則必須了解固有應(yīng)變?cè)敿?xì)的分布形態(tài)，這增加了計(jì)算的難度，并且固有應(yīng)變法不能體現(xiàn)焊接順序和焊接方向的影響，而且不能查看每個(gè)時(shí)刻的焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)變，因此固有應(yīng)變法用來(lái)預(yù)測(cè)超大型結(jié)構(gòu)的焊接變形。焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算是一個(gè)高度非線性的熱-力耦合過(guò)程，例如材料非線性、幾何非線性等，因此計(jì)算過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。

2.2.1、屈服準(zhǔn)則

對(duì)于單向受拉試樣，可以將軸向應(yīng)力與材料的屈服應(yīng)力進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)試樣是否發(fā)生塑性變形。但是在一般情況下構(gòu)件的受力狀態(tài)是比較復(fù)雜的，因此人們建立了判斷是否發(fā)生屈服的評(píng)價(jià)方法-屈服準(zhǔn)則。屈服準(zhǔn)則是一個(gè)與單軸測(cè)試的與屈服應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)量。因此，知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則就能確定是否發(fā)生了塑性變形。通過(guò)屈服準(zhǔn)則得到的應(yīng)力值一般稱為等效應(yīng)力，一個(gè)常用的屈服準(zhǔn)則為米塞斯（VonMises）屈服準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)刃?yīng)力值超過(guò)的材料的屈服應(yīng)力值時(shí)表示將發(fā)生塑性變形。

2.2.2、流動(dòng)準(zhǔn)則

流動(dòng)準(zhǔn)則描述了材料發(fā)生屈服時(shí)，塑性應(yīng)變的方向，也就是說(shuō)，流動(dòng)準(zhǔn)則描述的是單個(gè)塑性應(yīng)變分量和屈服應(yīng)力的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，流動(dòng)方程是塑性應(yīng)變?cè)诖怪庇谇娴姆较虬l(fā)展的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來(lái)的，塑性應(yīng)變?cè)隽肯蛄康姆较蚝颓娴姆ㄏ蛞恢隆?/p>

2.2、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，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)，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。

2.3、焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1、焊接應(yīng)力場(chǎng)的分布

懸架臂和襯套管的焊接應(yīng)力場(chǎng)云圖，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℃），而周圍金屬相對(duì)較冷，因此焊縫及近縫區(qū)金屬受到周圍冷金屬的阻礙作用而產(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。如圖1所示為y方向（垂直于焊縫方向）上的焊接應(yīng)力場(chǎng)分布云圖，從圖中可以看出，在焊縫近縫區(qū)以兩端為壓應(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)以兩端為拉應(yīng)力、中間為壓應(yīng)力為主。

2.4、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，如圖2所示。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、材料及焊接方法等方法優(yōu)化焊接變形。

3、結(jié)論

我國(guó)的企業(yè)在設(shè)計(jì)汽車底盤(pán)時(shí)還存在依賴于國(guó)外技術(shù)的問(wèn)題，很多的核心技術(shù)都是引進(jìn)外國(guó)的先進(jìn)技術(shù)，在技術(shù)的創(chuàng)新方面缺乏動(dòng)力和技術(shù)支撐。因此，在技術(shù)的研發(fā)和改進(jìn)方面需要不斷改進(jìn)，促進(jìn)企業(yè)的全面進(jìn)步，在企業(yè)核心技術(shù)的研發(fā)方面不斷投入巨大的精力。對(duì)于比較成熟的汽車研發(fā)方面的技術(shù)和設(shè)備需要進(jìn)行合理的改善。只有全面推進(jìn)我國(guó)汽車技術(shù)的創(chuàng)新和研發(fā)，才能在技術(shù)上不斷進(jìn)步。在技術(shù)改進(jìn)方面，只有對(duì)技術(shù)進(jìn)行全面革新，才能夠?qū)⑽覈?guó)的技術(shù)創(chuàng)新推向一個(gè)新的起點(diǎn)。

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