分析汽車底盤結構件焊縫設計

陳峰 王旭

【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。本文主要對汽車底盤各工況的工作載荷與焊接殘余應力進行了合成計算并對各焊縫的承載性能進行了評價，最后選擇改變焊縫數量、長度以及焊縫位置的方法對焊縫進行優化設計。

【關鍵詞】汽車底盤；焊縫設計

引言

后橋和副車架是底盤結構的重要部件。后橋是用來支撐和連接后車輪的裝置，若是前橋驅動的車輛，那么后橋僅僅起到承載的作用，若是后橋驅動，除了承載作用，還起到驅動、減速和差速的作用；副車架并非完整的車架，只是支承前后車橋、懸掛的支架，通過它使車橋、懸掛再與“正車架”相連，習慣上稱為“副架”，副車架的作用是阻隔振動和噪聲，減少其直接進入車廂。

1、汽車底盤焊縫設計技術研究方法

1.1、焊縫承載評價方法

焊縫承載評價方法是汽車底盤焊縫設計技術研究最為重要的組成部分，其為焊縫安全校核的前提。首先對后橋的懸架臂和襯套管進行工藝試驗，包括焊接熱過程和殘余應力測量試驗。采用無紙記錄儀測量出沿著焊縫方向和垂直焊縫方向各測試點的焊接熱過程曲線，利用小孔法得到焊縫近縫區的縱向和橫向焊接殘余應力大小，為驗證焊接溫度場和殘余應力場的正確性提供參考依據。其次是建立三維有限元模型，利用ANSYS有限元軟件對懸架臂和襯套管進行焊接溫度場和殘余應力場的模擬計算，獲取與實際試驗相對應測試點的焊接熱過程曲線以及焊接殘余應力大小，當實測與模擬計算結果相吻合時就認為焊接溫度場和殘余應力場的計算結果是正確的，然后采用ANSYS的讀寫命令“INISTATE”得到“.ist”格式的焊接殘余應力文件。

1.2、焊縫安全校核

采用在計算懸架臂和襯套管焊接溫度場和殘余應力場時的參數命令對后橋和副車架進行焊接溫度場和殘余應力場計算。由于后橋和副車架是在多個工位（多個變位機）上組焊完成的，所以在對其進行焊接溫度場和殘余應力場計算時，分別計算出各個工位上所焊接部件的焊接殘余應力場分布，并得到“.ist”格式的焊接殘余應力文件。將各個工位上所焊部件的焊接應力文件作為初始載荷與后橋和副車架在實際工作中所承受的工作載荷進行合成計算，當把每一個工況的工作載荷與焊接殘余應力進行合成計算后，提取出各焊縫在所有工況中的最大合成應力值σmax=max{{σxmax，σymax，σzmax}1.....{σxmax，σymax，σzmax}n，n表示工況數}，并代入安全系數N的計算公式中，得到各焊縫的最小安全系數，最后根據焊縫安全系數范圍評價焊縫是否發生失效，并與實測結果比較來檢驗計算結果的正確性。

2、底盤結構件有限元模型建立

底盤結構件結構非常復雜，后橋結構主要由懸架臂、襯套管、橫梁、彈簧支架、減震器支架以及支撐板等零件組成，副車架結構主要由前梁上下片、前襯套加強板、橫梁前支撐管總成等組成。本文采用HYPERMESH軟件對其進行網格劃分，單元類型為SOLID70。在劃分網格時，應注意將焊縫與母材交界面的單元的節點應一一對應。

3、焊接殘余應力場的計算

3.1、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，然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，單元通過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。

3.2、材料力學性能參數

在焊接殘余應力場計算前，首先要確定材料的力學性能參數，例如泊松比、彈性模量、線膨脹系數、屈服強度以及切變模量等，同樣，在高溫區（700℃以上）的材料的力學性能參數是空白的，因此通常采用外推法來確定。

3.3、約束位置的確定

工件在進行焊接的時候，其一些部位會被一些夾具固定著，這些夾具的作用是為了防止工件在焊接過程中發生各種形式的變形，例如收縮變形、撓曲變形、角變形、波浪變形、錯邊變形以及扭曲變形等，因此在焊接應力場的模擬過程中，需要對模型進行約束，約束位置要根據實際工件上夾具所夾持的位置來確定。

4、焊接應力場計算結果及分析

4.1、焊接應力場的分

懸架臂和襯套管的焊接應力場云圖得出，沿著焊縫方向上的焊接應力場，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。同時，從懸架臂和襯套管的焊接應力場云圖得出，沿著垂直于焊縫方向上的焊接應力場，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。

4.2、實測和計算結果比較

焊接應力場計算完畢后，提取與在進行測量焊接殘余應力時所鉆小孔相對應位置的焊接殘余應力大小，實測和計算結果對比，從圖中可以看出，個別點的實測和計算結果有些誤差，但各測試點的應力值所連接成的曲線的趨勢相吻合，說明了計算結果的正確性。

4.3、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。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、焊接件結構形狀及材料和焊接方法等方法優化焊接變形。

5、關于焊接的具體流程和注意事項

對于汽車底盤的結構焊接有很多需要注意的事項，具體的流程是汽車企業非常注意的，在流程中有一些方案需要很多的注意事項。只有將具體的流程貫徹下去，才能夠將汽車底盤的操作科學化合理化。對于焊接的形狀需要進行針對性研究，只有進行精密對比才能夠得出正確的焊接圖紙，對焊接的具體操作提供指導，在理論上給出堅強的支撐。在優化設計方面需要把具體的技術方案進行貫徹，在技術創新的的基礎之上，把各項的技術要求真正落實到具體的技術操作中。

結束語

對汽車底盤（后橋和副車架）進行了焊接熱過程的測量試驗，得到了沿著焊縫方向和垂直于焊縫方向各測試點的焊接熱過程曲線；采用小孔法對懸架臂和襯套管進行了焊接殘余應力的測試，得到了個測試點的縱向殘余應力σx和橫向殘余應力σy，為校核焊接溫度場、應力場的模擬計算結果的正確性奠定了基礎。

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（作者單位：精誠工科汽車系統有限公司底盤研究院）