特種汽車(chē)車(chē)身總拼焊胎的模擬研究

摘要：通過(guò)焊接模擬仿真軟件對(duì)某小批量生產(chǎn)車(chē)型車(chē)身的總拼焊胎工裝進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的模擬研究，結(jié)合焊胎各關(guān)鍵控制部位的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果，分析焊胎關(guān)鍵控制部位的焊接變形是否在可控要求范圍之內(nèi)，為總拼焊胎工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐，進(jìn)而保證裝焊車(chē)身的整體外形尺寸和精度。

關(guān)鍵詞：總拼焊胎；模擬仿真；焊接

車(chē)身的焊裝過(guò)程是將車(chē)身各類(lèi)沖壓件在特定的工藝裝備中夾緊固定位置和形狀，通過(guò)焊接組合成車(chē)身各類(lèi)組件、合件、分總成及總成，最終焊合成為整體的過(guò)程[1]。車(chē)身各零件大都采用薄板，剛性差、易變形，在裝焊過(guò)程中必須采用專(zhuān)用焊裝工裝夾具實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位加緊，以保證各零件、焊合件、分總成件焊后的貼合程度和形狀位置[2]。焊裝過(guò)程所使用的工裝夾具稱(chēng)為焊胎。焊胎的使用可以提高車(chē)身整體精度，同時(shí)滿(mǎn)足小批量生產(chǎn)模式需求，節(jié)省人力、物力和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)空間，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)焊胎夾具轉(zhuǎn)產(chǎn)靈活，改型擴(kuò)展方便，可塑性強(qiáng)[3]。

總拼焊胎的設(shè)計(jì)

在什么樣的生產(chǎn)條件下使用哪種類(lèi)型的焊胎夾具才是最經(jīng)濟(jì)合理的，也就是其經(jīng)濟(jì)性，一直以來(lái)都是焊胎夾具結(jié)構(gòu)發(fā)展和設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題[4，5]。本文針對(duì)某小批量生產(chǎn)車(chē)型進(jìn)行總拼焊胎的工藝設(shè)計(jì)。左右定位位置選取地板左右中心線(xiàn)（即與駕駛室左右中心線(xiàn)重合），地板焊合、側(cè)圍焊合、后圍焊合在整個(gè)總拼工裝夾具中的位置確定了，則其他各分總成的位置也就確定了，所有關(guān)鍵控制定位點(diǎn)的裝夾位置也隨之確定?？偲春柑ゲ捎闷揭剖浇Y(jié)構(gòu)，某車(chē)型總拼焊胎的三維示意如圖1所示。

總拼焊胎焊接結(jié)構(gòu)的有限元研究

車(chē)身總拼焊胎作為大型焊接結(jié)構(gòu)件，其焊接質(zhì)量直接影響到工裝夾具結(jié)構(gòu)的可靠性和后續(xù)白車(chē)身產(chǎn)品的精度及質(zhì)量[6]。地板總拼是白車(chē)身總成的第一步，整個(gè)工裝夾具地板基座部分的上平面作為車(chē)身總拼的基準(zhǔn)，其焊接質(zhì)量及平面度是整個(gè)車(chē)身總成拼焊的關(guān)鍵。側(cè)圍立面部分決定著在總拼夾具上裝焊完成的白車(chē)身總成其整體外形尺寸精度是否符合要求，其焊接質(zhì)量及平面度同樣需要重點(diǎn)控制。本文針對(duì)這兩部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)焊接的有限元分析。

采用焊接仿真模擬軟件Simufact Welding軟件，通過(guò)建立一個(gè)數(shù)學(xué)化的熱源模型來(lái)模擬焊接過(guò)程的熱輸入，并考慮焊接速度、焊接順序、工裝夾具、電源能量及填充材料等因素的情況下將模型的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合，計(jì)算得到焊接過(guò)程各個(gè)時(shí)刻焊接熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度、焊接應(yīng)力與變形的大小及其分布情況[7]。

1.有限元模型的建立

針對(duì)地板基座部分工裝上面框架和側(cè)圍立面板的焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元分析。其結(jié)構(gòu)中共存在的焊縫均為角焊縫，按照預(yù)定的焊接順序進(jìn)行仿真計(jì)算，分析在該種情況下上面框架的焊接變形量、焊接溫度、變形分布情況等內(nèi)容。

主要連接處采用Q235A矩管或鋼板，焊絲使用ER50-6?；瘜W(xué)成分及基本力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。表3為不同焊縫的焊接參數(shù)。有限元模型如圖2所示。

將結(jié)構(gòu)放置在平臺(tái)上進(jìn)行施焊，需在結(jié)構(gòu)下面設(shè)置焊接平臺(tái)，由于結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，在對(duì)稱(chēng)面處施加對(duì)稱(chēng)面約束，在一端施加完全固定約束，各小圓柱體是施加的固定約束。地板基座上平面框架和兩側(cè)圍立面的約束施加結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

2.焊接結(jié)果分析

仿真工藝鏈特性分析焊接過(guò)程，在工況一的焊接計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工況二、工況三的焊接過(guò)程分析，焊接過(guò)程完成后卸載之前固定的約束力，通過(guò)計(jì)算可以得到冷卻至室溫后地板基座上平面框架和側(cè)圍立面板的溫度、焊接變形量等參數(shù)。

（1）地板基座上平面框架" 計(jì)算結(jié)果如下：

1）整體最高溫度結(jié)果。整體最高溫度分布如圖5所示。在上面框架焊接過(guò)程中，焊縫處溫度較高，最高溫度1500℃，位于焊縫熔池處。焊縫周?chē)鸀楹附訜嵊绊憛^(qū)，距離焊縫越遠(yuǎn)則熱影響越小。

2）熱變形結(jié)果。熱變形結(jié)果可以表示出結(jié)構(gòu)的整體變形量，即總位移，也可以表示出在各軸線(xiàn)方向上的變形量，同時(shí)可以捕捉最大變形量和最小變形量在結(jié)構(gòu)中的具體位置。 整體變形（總位移）結(jié)果如圖6所示。

分析計(jì)算結(jié)果得出：總拼夾具地板基座上面框架焊接熱變形最大出現(xiàn)在前端橫梁兩端頭位置，最大值為1.32mm，中后部固定，變形量最小。

（2）側(cè)圍立面板" 計(jì)算結(jié)果如下：

1）整體最高溫度結(jié)果。整體最高溫度分布如圖7所示。在側(cè)圍立面板焊接過(guò)程中，焊縫處溫度較高，最高溫度1500℃，位于焊縫熔池處。焊縫周?chē)鸀楹附訜嵊绊憛^(qū)，距離焊縫越遠(yuǎn)則熱影響越小。

2）熱變形結(jié)果。整體變形（總位移）結(jié)果如圖8所示，圖中圈出了焊接熱變形最大值出現(xiàn)的位置。

分析計(jì)算結(jié)果得出：

總拼夾具側(cè)圍立面板焊接熱變形最大出現(xiàn)在中立柱內(nèi)面中折線(xiàn)位置，最大值為0.63mm，中下部固定幾乎無(wú)變形量。

綜上，地板基座上面框架整體最大變形量為1.32mm，位于前端橫梁兩端頭位置，變形量在可控范圍之內(nèi)，且位置未位于地板關(guān)鍵貼合面部位；側(cè)圍立面板整體最大變形量為0.63mm，位于中立柱內(nèi)面中折線(xiàn)位置，雖位于側(cè)圍關(guān)鍵定位控制面處但在可控范圍之內(nèi)。因此，地板基座上面框架和側(cè)圍立面板的焊接變形量符合整個(gè)總拼夾具平面度的制造要求。通過(guò)此次仿真模擬得出，總拼工裝夾具主焊胎與車(chē)身產(chǎn)品關(guān)鍵定位控制面的焊接結(jié)構(gòu)符合工裝夾具精度理論技術(shù)要求。

結(jié)語(yǔ)

有限元仿真分析是驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論可靠性的有效手段，是正式投產(chǎn)前進(jìn)行模擬試用并及時(shí)完善的控制途徑，其運(yùn)用不但可以進(jìn)行后期預(yù)見(jiàn)節(jié)省人力物力，同時(shí)可以提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造效率。

通過(guò)對(duì)地板基座部分和側(cè)圍立面板的有限元分析，證實(shí)了本文研究的車(chē)身總拼焊胎關(guān)鍵控制面部分的焊接變形在可控要求范圍之內(nèi)，可以保證整個(gè)總拼工裝的精度，進(jìn)而保證裝焊車(chē)身的整體外形尺寸和精度。

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