汽車底盤焊縫設計技術研究

張小兵 張國馳

【摘 要】汽車底盤結構件是汽車部件當中起著關鍵性作用的部分，能否將這部分零部件焊接成功對汽車制造的發展起著奠基性的作用。本文在科學計算的基礎之上，對汽車底盤結構件焊接設計進行了系統的分析，汽車底盤的零部件設計比較復雜，需要進行專門的研究才能夠對這些部件有一個全面的了解，進而對底盤結構件焊接的設計得出正確的設計方案。

【關鍵詞】汽車底盤；焊縫設計

引言

隨著我國經濟和生活水平的不斷提高，人們對汽車的需求欲望也越來越強。2009年，我國國產汽車年產銷突破1300萬輛，標志著我國成為世界第一汽車生產和消費國，汽車保有量在8000萬輛左右，預計到2020年我國汽車保有量將超過2億，2030年有可能達到4.5億輛，由此可以看出我國汽車工業正處在一個高速發展時期。然而，長期以來，我國汽車企業大都照搬國外的技術來生產汽車，不注重研發具有自主知識產權的核心技術，這顯然已跟不上我國汽車工業發展的需要。此文就是基于汽車工業蓬勃發展的背景下對汽車底盤（后橋和副車架）焊縫設計技術進行的研究。

1、底盤結構件溫度場應力場計算

采用應力場計算的方式對底盤設計結構的溫度進行檢測，在具體的實驗模擬過程中需要建設基本的場地，將具體的操作貫徹下去，只有進行整體的測試，才能對底盤結構溫度進行科學的測量。當在測試的過程中得出溫度合適的結論之后，需要對單元賦予材料屬性、施加約束，把以“RTH”結尾的溫度場文件加載到模型中來計算應力場。各測試點殘余應力模擬值與實測值之比較，雖然各個測試點的值有一定誤差，但其趨勢保持一致，說明了計算結果的正確性。

2、焊接應力場有限元分析理論

目前，常用的預測焊接殘余應力和應變的方法主要有熱彈塑性法和固有應變法。熱彈塑性法通過跟蹤每一步的熱應變行為來計算熱應力和應變，采用這種方法可以查看每一時刻焊接應力和應變大小及狀態，但此方法對計算機的性能要求較高，對于一些大型的結構件的焊接應力和應變的預測，采用此方法還比較困難，但隨著大型有限元軟件的開發和計算機性能的不斷提高，此方法還是被很多焊接研究者采用[59，60]。而固有應變法主要用于大型結構件的焊接變形，如果采用此方法預測焊接殘余應力，則必須了解固有應變詳細的分布形態，這增加了計算的難度，并且固有應變法不能體現焊接順序和焊接方向的影響，而且不能查看每個時刻的焊接殘余應力和應變，因此固有應變法用來預測超大型結構的焊接變形。焊接應力應變場的計算是一個高度非線性的熱-力耦合過程，例如材料非線性、幾何非線性等，因此計算過程相當復雜。

2.2.1、屈服準則

對于單向受拉試樣，可以將軸向應力與材料的屈服應力進行比較來評價試樣是否發生塑性變形。但是在一般情況下構件的受力狀態是比較復雜的，因此人們建立了判斷是否發生屈服的評價方法-屈服準則。屈服準則是一個與單軸測試的與屈服應力相關的應力狀態的標量。因此，知道了應力狀態和屈服準則就能確定是否發生了塑性變形。通過屈服準則得到的應力值一般稱為等效應力，一個常用的屈服準則為米塞斯（VonMises）屈服準則，當等效應力值超過的材料的屈服應力值時表示將發生塑性變形。

2.2.2、流動準則

流動準則描述了材料發生屈服時，塑性應變的方向，也就是說，流動準則描述的是單個塑性應變分量和屈服應力的關系。一般來說，流動方程是塑性應變在垂直于屈服面的方向發展的基礎上推導出來的，塑性應變增量向量的方向和屈服面的法向一致。

2.2、有限元模型的轉換

在計算焊接殘余應力場時，不需要再重新建立有限元模型，當焊接溫度場的計算結果與實測結果相吻合后，就可以模擬焊接殘余應力場了。如果焊接溫度場計算完成后沒有退出ANSYS軟件，只需再次進入前處理器/prep7中，通過單元轉換命令ETCHG，TTS將SOLID70熱單元轉換成相對應的SOLID185結構單元，這兩種單元的幾何形狀相同（SOLID185與SOLID70相比沒有四棱錐形單元），SOLID185單元用于結構三維固體結構，通過8個節點來定義，每個節點有3個沿著X、Y、Z方向平移的自由度，單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力，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、焊接應力場計算結果及分析

2.3.1、焊接應力場的分布

懸架臂和襯套管的焊接應力場云圖，由于襯套管的邊緣施加了約束，并且這個位置離焊縫比較近，溫度比較高，因此其冷卻收縮過程受到阻礙而產生拉應力；在焊縫及近縫區，由于該位置溫度較高（達到金屬熔點，本文是1500℃），而周圍金屬相對較冷，因此焊縫及近縫區金屬受到周圍冷金屬的阻礙作用而產生拉應力，而焊縫兩端受到的阻礙較小，因此拉應力較小。如圖1所示為y方向（垂直于焊縫方向）上的焊接應力場分布云圖，從圖中可以看出，在焊縫近縫區以兩端為壓應力、中間為拉應力為主，但隨著距焊縫距離的增加，拉應力值逐漸降低，而遠離焊縫的位置為壓應力，而在焊縫區以兩端為拉應力、中間為壓應力為主。

2.4、焊接變形優化

影響焊接變形的因素很多，例如焊接工藝參數的選擇、焊接結構形狀及材料、焊接方法的選擇以及焊接順序及方向等，如圖2所示。從經濟性和實用性方面考慮，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，若改進結果無法滿足要求，再依次選擇改變焊接工藝參數、焊接件結構、形狀、材料及焊接方法等方法優化焊接變形。

3、結論

我國的企業在設計汽車底盤時還存在依賴于國外技術的問題，很多的核心技術都是引進外國的先進技術，在技術的創新方面缺乏動力和技術支撐。因此，在技術的研發和改進方面需要不斷改進，促進企業的全面進步，在企業核心技術的研發方面不斷投入巨大的精力。對于比較成熟的汽車研發方面的技術和設備需要進行合理的改善。只有全面推進我國汽車技術的創新和研發，才能在技術上不斷進步。在技術改進方面，只有對技術進行全面革新，才能夠將我國的技術創新推向一個新的起點。

參考文獻：

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[3] 劉擁軍，馮向敏，周凱，王華杰，周方明.汽車底盤結構件焊縫設計方法探討[J].熱加工工藝，2012，41（21）：197-199+202.