汽車控制臂焊接應力變形的分析和控制

2016-10-21 16:49:51李卓明熊璐

工業設計 2016年2期

李卓明熊璐

摘要：本文采用有限元軟件ANSYS對某款汽車控制臂的焊接應力變形進行分析研究，建立焊接應變和焊接尺寸之間的關系，并通過優化焊接順序和焊接方向尋找控制應力變形量的最優解。仿真及試驗結果表明，長焊縫的焊接順序布置在短焊縫之間對焊接后變形量的影響相對最小，且當兩側焊接方向異向時效果最佳。

關鍵詞：控制臂；有限元分析；焊接應力變形

汽車控制臂是懸架系統的重要焊接結構部件之一，對汽車的行駛平順性和操縱穩定性有很大的影響。焊接作為其主要的加工工藝，在保證產品尺寸精度、強度要求的過程中扮演著舉足輕重的角色。而焊接變形又是影響結構設計完整性、制造工藝合理性和結構使用可靠性的關鍵因素。因此，對汽車控制臂在焊接過程中所產生應力變形的預測及控制的研究顯得尤為重要。

本文利用有限元軟件ANSYS模擬分析某款汽車控制臂的焊接應力變形情況，然后通過控制臂在不同方向上的應變值及尺寸、形位公差的定義建立焊接應變和焊接尺寸之間的關系，最后再利用有限元法模擬焊接順序和焊接方向對焊接尺寸的影響，并通過方案對比和試驗驗證尋求最優解。

1 控制臂焊接應變分析

控制臂在產生焊接殘余應力的同時還將發生應力變形，通過ANSYS中Contour Plot功能可以獲得橫向（Y向）及縱向（Z向）的位移云圖，見圖1。

（a）橫向位移云圖（b）縱向位移云圖

圖1 控制臂橫向及縱向位移云圖

為進一步了解控制臂橫向和縱向各個截面上的位移分布情況，在控制臂連接片橫向和縱向上分別設置一條路徑，然后計算各條路徑上的位移值，見圖2。

（a）橫向位移曲線圖（b）縱向位移曲線圖

圖2 控制臂橫向及縱向位移曲線圖

從各條路徑的位移曲線上能看出，控制臂在橫向和縱向上的位移和路徑之間有著一定的規律，即控制臂左端至右端的橫向位移從最大負位移逐漸轉換到最大正位移，且右端比左端有更大的位移；控制臂上端至下端的縱向位移從最大正位移逐漸轉換到最大負位移，且上端比下端有更大的位移。

2 焊接應變及焊接尺寸關系建立

要把焊接應變與焊接尺寸準確合理地統一起來，必須先了解總成焊件下線后的檢測狀態，并根據理想狀態的焊件檢測時的主定位建立基準坐標系再由各個方向上的焊接應變值通過計算后轉變為焊接尺寸值。由于該焊件的主定位為控制臂大套筒處的定位小孔，因此先將焊接理想狀態下控制臂的定位小孔的中心設定為基準坐標系的原點，再分別根據控制臂焊接的主要尺寸要求結合其Y、Z方向上的殘余應變值進行求解轉換，如下：

2.1 大小套筒中心距離：562.5±0.5mm

分別在大套筒的周向上設定3個點；在定位孔的周向上設定2個點；在小套筒的周向上設定3個點，如圖3所示。大套筒周向3個節點的Y向位移平均值為-0.133mm；定位孔周向2個節點的Y向位移平均值為-0.113mm；小套筒周向3個節點的Y向位移平均值為0.171mm。按照基準坐標系進行轉換：大套筒Y向平均位移為-0.02mm；小套筒Y向平均位移為0.284mm。因此，大小套筒中心位移為0.304mm。

2.2 大套筒位置度：

分別在大套筒的周向上設定3個點；在定位孔的周向上設定2個點，如圖4所示。大套筒周向3個節點的Z向位移平均值為0.035mm；定位孔周向2個節點的Z向位移平均值為0.029mm。按照基準坐標系進行轉換：大套筒Z向平均位移為0.006mm，由于大套筒Y向平均位移為-0.02mm，因此，大套筒位置度為0.042。

圖3 控制臂周向設定點Y向位移值圖4 大套筒周向設定點Z向位移值

2.3 大套筒端面與連接片表面距離：7.5±0.5mm

分別在大套筒的端面上設定2個點；在定位孔的端面上設定2個點，如圖5所示。大套筒端面2個節點的X向位移平均值為0.002mm ；定位孔端面2個節點的X向位移平均值為-0.001mm。按照基準坐標系進行轉換：大套筒端面與連接片表面距離為0.003mm。

2.4 小套筒端面與連接片表面距離：7.5±0.5mm

在小套筒的端面上設定2個點，如圖6所示。小套筒端面2個節點的X向位移平均值為0.003mm。按照基準坐標系進行轉換：小套筒端面與連接片表面距離為0.004mm。

圖5 大套筒端面設定點X向位移值圖6 小套筒端面設定點X向位移值

從實際檢測上來看，大套筒Y向實際檢測轉換值為-0.158mm；Z向實際檢測轉換值為-0.075mm；小套筒Y向實際檢測轉換值為0.392mm；大套筒端面與連接片表面X向距離的實際檢測轉換值為-0.18mm；小套筒端面與連接片表面X向距離的實際檢測轉換值為-0.11mm。由于上述各項尺寸的實際檢測轉換值和計算機模擬轉換值之間的差異均小于焊接尺寸公差的20%，還要考慮焊接熱輻射、熔池流體流動等綜合因素的影響，因此，本文認為該差異在合理的范圍內。

3 焊接順序和方向優化對焊接尺寸的影響

在本次研究中，按照變位機的工作原理和焊接就近原則主要選擇了6個不同焊接順序和方向的方案進行模擬仿真計算。控制臂具體焊縫位置如圖7所示。

圖7 控制臂焊縫位置圖

一般而言，由于焊件的長焊縫所引起的焊接殘余應力及變形最為顯著，因此根據控制臂的長焊縫3L、3R處于的不同焊接順序位置，將以上6個不同的方案分為3組進行后續的對比研究。表1為6套方案經過焊接模擬仿真計算后的焊接尺寸數據對比表。

表1 控制臂焊接方案結果對比表

從中可以看出，此款控制臂焊接順序和方向的變化主要影響的焊接尺寸是大小套筒中心距離，對大小套筒端面與連接片表面距離以及大套筒位置度的影響可以忽略不計。此外，第一組方案得到的大小套筒中心距離的公差值最小，即長焊縫的焊接順序布置在短焊縫之間對焊接后變形量的影響相對最小，且當兩側焊接方向異向時效果最佳。

4 結語

本文建立了汽車控制臂焊接應變及焊接尺寸之間的轉換關系，并在這基礎上進一步探討了焊接順序和方向對焊接尺寸的影響，不僅為提升焊接尺寸符合率提供了可靠的理論依據和指導，同時也促進了有限元分析技術在汽車零部件焊接應力變形的預測和優化方面的工程應用。

參考文獻：

[1] 張海波，張瑞軍，常影.基于ANSYS的汽車懸架控制臂有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術.2014（03）：150-151.

[2] 周方明，王華杰，趙永昌，等.基于有限元法的底盤結構件焊接變形預測及優化[J].江蘇科技大學學報：自然科學版.2012（04）：337-340.

[3] 楊建奎，江克斌，翟可為.基于ANSYS的輻射和相變對焊接溫度場的影響研究[J].機械工程與自動化.2012（01）：60-62.