小论文——铝合金焊接件力学性能实验及有限元计算方法研究

1、铝合金焊接件力学性能实验及有限元计算方法研究（中山大学工学院郑振晓指导老师：刘强）【论文摘要】对于铝合金车体来说，大多数都是焊接而成，由于在做有限元模拟仿真过程中，很少会考虑到焊接处的处理，这将会给有限元分析带来精度上的影响。本课题主要借助中山大学工学院实验室现有的实验与制造设备，从铝合金及铝合金焊接件的拉伸强度试验着手，分析实验室铝合金焊接前后的力学性能变化。在有限元分析的过程中，分析不考虑焊缝或者使用焊接单元连接计算的结果和实际结果的差异。结果表明，在实验室的焊接状态下，铝合金焊接后出现软化，强度降低的现象，而在有限元分析中，不考虑焊缝或使用焊接单元计算的结果将会给分析带来极大的误差。最后

2、提出了模拟铝合金焊接件的有限元计算方法，有效的提高了焊接件有限元模拟仿真的精度，为铝合金焊接件的设计与制造提供了一定的参考。关键词：铝合金；焊接件；力学性能；有限元模拟仿真；有限元计算方法随着工业化和城市化的推进，汽车尾气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题也日益严重，己经引起了世界各国的普遍重视。以电动汽车代表的先进技术汽车以其良好的环保、能源特性开始成为国际汽车工业发展的潮流和热点之一。而研发电动车的一个重要的技术要求就是轻量化，要实现轻量化，材料的选择是一个关键的一步。在多种的材料选择上，铝合金是一个比较理想的选择。采用铝合金材料，并在此基础上采用先进的组合框架结构将是未来交

3、通工具发展的主要方向。而车体上的铝合金的各方面强度是有关汽车性能的一个重要方面。有限元分析方法模拟汽车碰撞过程是研究铝合金构件耐撞击性的重要方法。当前，有限元方法理论已经发展的相当成熟和完善，而计算机技术的不断革新，又在很大程度上推进了有限元法分析在工程技术领域的应用。而现在的汽车上的铝合金部件大部分是焊接而成，在大部分做有限元分析的过程中，都是简化了物理模型，很少会考虑到焊缝处的处理，这就给有限元模拟仿真分析的时候带来误差或者精度上的影响。由于焊接工艺上存在较大的差别，焊接后强度方面的变化也会存在差异，本课题就是着重研究铝合金焊接前后的力学性能变化，提出焊接件有限元计算处理方法，正确模拟出焊

4、接件的强度变化曲线，为铝合金焊接件的制造和设计提供一定的参考。1.铝合金材料力学性能实验研究本次实验使用的实验仪器是新三思液压万能试验机、游标卡尺、电子引伸计等等。铝合金原材料是完全取于中山大学现代设计中心研究新能源电动车的铝材（型号6061），试验原理方法（略）按照国家标准金属拉伸试验试样GB6397-86对矩形等种拉伸试件的制备做的统一规定，为了试验数据更准确并具有可比较性，制作不同厚度的试件，其中一类试件的厚度为4mm，一类试件厚度为6mm.制作的试件尺寸如下图所示:图2.1 试件一、二尺寸图（左）；试件三、四尺寸图（右）表21各个试件实际测量数值试件编号1 2 3 4标距l0(mm)5

5、0 50 50 50截面宽度a（mm）19.82 19.62 19.62 19.72标距为电子引伸计的原始长度截面高度b（mm）6.12 6.14 4.14 4.10使用MATLAB的曲线拟合工具箱，用直线拟合两段数据，求得两直线斜率，根E=/,=F/A,=l/l；E=Fl/lA=kl/A，计算出对应的弹性模量。图2.2 试件一曲线拟合图 图2.3 试件二曲线拟合图图2.4 试件三曲线拟合图 图2.5 试件一曲线拟合图综上，对4个求出平均值，舍去试件二误差较大的数据，得铝合金板的弹性模量为68.257Gpa，舍去试件一误差较大的，求得塑性段弹性模量为0.3850Gpa，屈服强度为287.2 M

6、pa，极限强度为329.4MPa2.铝合金焊接件力学性能实验研究铝合金试件材料采用牌号 6061的铝合金，焊接技术状态与铝合金车架的焊接状态完全相同。铝合金焊接的焊条采用ER5356型号。考虑到焊接过程有，工艺质量有所差异，制作了两个不同尺寸，焊缝有所不同的试件，制作的试件尺寸如下图所示：图3.1 试件一、二尺寸图 图3.2 试件三、四尺寸图表3-1 各个试件实际测量数值试件编号1 2 3 4标距l0(mm)100 100 50 50截面宽度a（mm）30.12 30.15 19.88 19.72标距为电子引伸计的原始长度截面高度b（mm）11.87 11.90 6.05 6.07同理，左边固

7、定，右边施加4mm的位移载荷，实验结束对结果拟合后求得相应的弹性模量：图3.3 试件一、二力-位移结果图 图3.4试件三、四力-位移结果图表3-2 铝合金焊接件的极限强度横截面积（mm2） 极限点之力（KN） 极限强度（MPa） 极限强度均值（MPa） 弹性模量（GPa） 弹性模量均值（GPa）2.772.672.7125试件一 357.8805 29.07 81.228试件二 358.785 35.14 97.942试件三 120.274 15.54 129.2051121.0762.692.72 试件四 119.7004 20.988 175.333.有限元模拟仿真及分析对于铝合金焊接件来

8、说，大多数简化了物理模型，不考虑焊缝的处理，而由前面的铝合金拉伸强度实验可推断出，如果直接不考虑焊缝在有限元中直接求解，那将会有比较大的误差。然而在大多数的时候，在有限元中常常使用一维rigid单元模拟焊点，rigid单元属于刚性单元,它定义一个节点为独立的点,其余各节点为非独立的点,由独立的节点连接非独立的节点而成。本次模拟仿真采用rigid单元模拟焊接件，并探讨其模拟仿真的精度与实际的差别。1图3.1 有限元仿真过程在有限元的仿真过程，对其焊缝间连接焊接单元，划分单元大小为4的网格，赋予前面铝合金强度实验测出的材料属性，加载与实验条件一样的约束。计算完毕在后处理查看结果。图3.2位移为4m

9、m的应力图 图3.3使用rigid单元仿真与试验数据比较很明显，从图3.3可以看出，使用焊接单元模拟铝合金焊接件的结果与实际的相差较大。4.铝合金焊接件模拟仿真精度研究上章节利用焊接单元模拟焊接件结果差异巨大，究其原因就是没有建立正确的有限元物理模型，由于铝合金在焊接的过程中，由于近焊缝区域的母材也受到了电弧热的作用，这部分母材的组织和性能均要发生变化，这个发生了变化的母材区域，称为焊缝的热影响区。在热影响区的铝材强度都有相应的减少和软化，因此要想精确的模拟出铝合金强度位移变化曲线，必须在热影响区建立正确的模型。 2图4.1 铝合金焊接件有限元模型因此，我们在建模的过程中，可以把焊接件的母材和

10、热影响区的焊块划分开来。分别设置不同的材料属性，利用已有的力位移曲线，反推焊接块的材料属性，最终拟合铝合金焊接件的力位移曲线，如图4.2所示，得出正确的有限元仿真模拟。 3图4.2 焊接件有限元仿真计算方法第一次迭代模拟仿真，其中中间的焊接块线性阶段弹性模量设置为 1 Gpa，非线性阶段弹性模量设置为0.4Gpa。结果如下图4.3 有限元模拟仿真过程 图4.4 仿真力位移曲线求出的线性阶段的弹性模量为3.142Gpa. E=EexpEsimEexp=(3.142-2.7125)/2.7125=15%。仿真结果和试验数据存在15%的误差，再次调整弹性模量。使仿真曲线大致与试验数据曲线基本吻合，可

11、以认为精度达到要求，最后一次的Esim作为焊接块设置的弹性模量。经过多次的计算验证，当焊接块线性阶段的弹性模量为0.82Gpa,非线性阶段弹性模量为0.34Gpa时，可使曲线基本与实验曲线拟合。此时计算结果如下：图4.5 仿真曲线与实验曲线对比图故E=EexpEsimEexp=(2.74622.7125)/2.7125=1.2%。精度符合要求。5.结论一，铝材来源于中山大学现代设计中心实验室，焊接状态与实验室焊接铝架的状态一样。铝合金焊接后，弹性模量下降到2.7125Gpa左右,是原来的3.97%。极限强度下降到121.076Mpa左右。平均是原来强度的36.8%左右，最低的强度是原来的24.7%，最高的强度是原来的53.2%。 铝合金焊接后焊接部位出现软化，强度降低的现象。二，在这种的焊接状态下，在做有限元分析的情况下，如果不考虑焊缝的处理，或者以焊接单元连接做处理，也将会给分析带来极大的误差。三，提出了铝合金焊接件，焊接接头的有限元计