汽车底盘焊缝设计技术研究 - 图文-

1、 学校代码: 10289 分类号: TG404 密 级: 公开 学 号: 092060087 江苏科技大学 硕 士 学 位 论 文汽车底盘焊缝设计技术研究 研究生姓名 王华杰 导师姓名 周方明 教授 申请学位类别 工学硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学科专业 材料加工工程 论文提交日期 2012 年 04 月 25 日 研究方向现代焊接质量控制及装备 论文答辩日期 2012 年 05 月 26 日 答辩委员会主席 周方明 评 阅 人 2012年05月26日汽车底盘焊缝设计技术研究 王华杰江苏科技大学分类号:TG404密级:公开学号:092060087工学硕士学位论文汽车底盘焊缝设计

2、技术研究学生姓名王华杰指导教师周方明教授江苏科技大学二零一二年五月A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringA Study on Weld Design Technology of Automobile ChassisSubmitted byWang HuajieSupervised byZhou FangmingJiangsu University of Science and TechnologyMay, 2012江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑

3、重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:年月日江苏科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本

4、学位论文属于:(1保密,在年解密后适用本授权书。(2不保密。学位论文作者签名:指导教师签名:年月日年月日摘 要针对国内企业在设计汽车底盘(后桥和副车架焊缝时完全照搬国外技术,并且往往不能得到满意的结果,因此开发具有自主知识产权的汽车底盘焊缝设计技术具有重要的战略意义和经济价值。建立了汽车底盘焊缝设计技术研究思路。通过对悬架臂和衬套管进行拉伸破坏试验以及进行拉伸载荷和焊接残余应力的合成计算确定了焊缝破坏判据以及焊缝承载评价方法,提出了焊缝微观断裂强度的概念。对汽车底盘各工况的工作载荷与焊接残余应力进行了合成计算并对各焊缝的承载性能进行了评价,最后选择改变焊缝数量、长度以及布道位置的方法对焊缝进行

5、优化设计。利用机器人MAG 焊对汽车底盘(后桥和副车架进行了焊接,完成了汽车底盘焊接热过程的测量,得到了各测试点的焊接热过程曲线,采用小孔法测量了悬架臂和衬套管各测试点的焊接残余应力,为焊接温度场和残余应力场的模拟计算提供了可靠的参考依据。建立了三维有限元模型,采用ANSYS 生死单元技术和内部生热热源对悬架臂和衬套管的焊接温度场进行了模拟计算,结果表明,焊接热过程曲线的实测与计算结果相吻合。基于ANSYS 间接耦合法对悬架臂和衬套管的焊接残余应力场进行了模拟计算,结果表明,纵向残余应力在焊缝及近缝区以拉应力为主,横向残余应力在焊缝区以两端为拉应力、中间为压应力为主,而在近缝区以两端为压应力、

6、中间为拉应力为主。各测试点的焊接残余应力实测与计算值有一定的误差,但是曲线的趋势相一致。建立了焊接变形量合格判据:,2x y z d mm ,并对汽车底盘(后桥和副车架各工位的焊接变形量进行了预测,结果表明,后桥工位的焊接变形量达到了8.6mm ,与实测结果相吻合。采用改变焊接顺序和焊接方向的方法来优化焊接变形,当改变焊缝1和焊缝3的焊接方向,焊缝2的焊接方向不变,焊接顺序为:先焊缝3,其次焊缝2,最后焊缝1时,焊接变形量为1.3mm ,得到了良好的结果。采用安全系数N 对焊缝的承载性能进行评价,并确定了各类焊缝安全系数N 的范围。利用本文所建立的焊缝设计技术对汽车底盘(后桥和副车架焊缝进行了

7、安全校核以及优化设计,结果表明,实际焊缝失效位置与计算结果相一致,经过优化后的焊缝的承载评价结果是安全的,最终本文所建立的汽车底盘焊缝设计技术成功应用于两种型号的后桥。关键词:汽车;底盘;机器人MAG 焊;焊缝设计;ANSYSAbstractAccording to copy foreign weld design technology to design automobile chassis (rear and frame often can't get satisfactory results for domestic enterprises, so there are impor

8、tant strategic significance and economic value to develop weld design technology of automobile chassis with independent intellectual property rights.The research ideas of weld design technology of automobile chassis are built. Weld failure criteria and evaluation method of load-carrying of weld are

9、determined through tensile failure test and coupling calculation of tensile load and welding residual stress of suspension arm and bush, and then microcosmic rupture strength is proposed; working load and welding residual stress of automobile chassis are coupled, and the load-carrying property of we

10、ld is evaluated, finally we choose the method of changing weld number, length and position to optimize weld.Automobile chassis (rear and frame are welded by using robot MAG welding, we complete the measurement of weld thermal process of automobile chassis and get weld thermal process curve of many t

11、est points, welding residual stress of each test point of suspension arm and bush are measured by using holes method, which provide a reliable basis for the simulation calculation of welding temperature and residual stress field.We build three dimension finite element model, and then simulate weldin

12、g temperature field of suspension arm and bush by using ANSYS birth-death element technique and temperature heat source, the results indicate that comparisons of measured and calculated weld thermal process curves show good agreement. The welding residual stress field of suspension arm and bush is s

13、imulated based on ANSYS indirect coupling method; the results indicate that the longitudinal residual stress is tensile stress mainly in weld and near weld zone, the horizontal residual stress is that the ends is tensile stress and the middle is pressure stress in weld zone, and near weld zone horiz

14、ontal residual stress is that the ends is pressure stress and the middle is tensile stress. The measured and calculated welding residual stress values of each test point have certain error, but the trend of curve is consistent.The qualified criterion of welding deformation is established:,2x y z d m

15、m , and then we predict welding deformation of each station of automobile chassis (rear and frame, the results indicate that welding deformation of third station of rear reaches 8.6 mm, this isconsistent with measured results. The welding deformation is controlled through changing welding sequence a

16、nd direction of weld, the results show that when change direction of welding of weld 1 and weld 3, direction of welding of weld 2 is invariant, and welding sequence is weld 3 firstly, weld 2 secondly, weld 1 finally, welding deformation is about 1.3 mm, the result that we get is good.The load-carryi

17、ng property of weld is evaluated by using safety coefficient N, and the range of safety coefficient N of all kinds of weld is determined. The safety check and optimization design of weld of automobile chassis (rear and frame are completed by using the weld design technology, and the results indicate

18、 that the actual weld failure position and calculated results show good agreement and the evaluation results of load-carrying property of weld are safe through optimization design, eventually weld design technology of automobile chassis built in the paper is successfully applied to rears of two mode

19、lsKeywords: Automobile; Chassis; Robot MAG welding; Weld design; ANSYS目录摘要 . I Abstract . II 第1章绪论 . (11.1项目来源及研究意义 (11.2汽车底盘技术的发展现状 (11.3焊接数值模拟技术的国内外发展及研究现状 (41.4本文研究内容 (7第2章汽车底盘焊缝设计技术研究方法 (82.1引言 (82.2研究思路 (82.3本章小结 (11第3章汽车底盘焊接热过程及残余应力测量试验 (123.1引言 (123.2焊接热过程测量试验 (123.3焊接残余应力测量试验 (183.4本章小结 (22第

20、4章汽车底盘焊接温度场的有限元计算 (234.1引言 (234.2几何模型的建立 (234.3有限元模型的建立 (234.4材料热物理性能参数 (264.5边界换热系数 (274.6焊接温度场模拟计算结果及分析 (274.7本章小结 (30第5章汽车底盘焊接应力场的有限元计算及变形预测 (315.1引言 (315.2焊接应力场有限元分析理论 (315.3焊接残余应力场的计算 (335.4焊接应力场计算结果及分析 (355.5焊接变形优化 (395.6本章小结 (47第6章汽车底盘焊缝设计 (496.1引言 (496.2焊缝承载评价方法的建立 (496.3汽车底盘焊缝安全校核 (546.4汽车底

21、盘焊缝优化设计 (576.5路谱及台架试验 (646.6本章小结 (65结论 (66参考文献 (67攻读硕士学位期间发表的学位论文 (70致谢 (71ContentsAbstract(Chinese . I Abstract(English . II Chapter 1 Perface . (11.1 The project source and research meaning (11.2 The current development situation of automobile chassis technology (11.3 The development and research

22、status of simulation of welding at home and abroad (41.4 The research contents of this paper (7Chapter 2 The research method of weld design technology of automobile chassis (82.1 Introduction (82.2 The research ideas (82.3 The summary of this chapter (11Chapter 3 The test of weld thermal process and

23、 residual stress of automobile chassis (123.1 Introduction (123.2 The measurement test of weld thermal process (123.3 The measurement test of welding residual stress (183.4 The summary of this chapter (22Chapter 4 The fem calculation of welding temperature field of automobile chassis (234.1 Introduc

24、tion (234.2 The building of geometric model (234.3 The building of finite element model (234.4 The thermal performance parameters of material (264.5 The heat transfer coefficient of boundary (274.6 The simulated result and analysis of welding temperature field (274.7 The summary of this chapter (30C

25、hapter 5 The fem calculation of welding stress field and prediction of welding deformation of automobile chassis (315.1 Introduction (315.2 The finite element analysis theory of welding stress field (315.3 The calculation of welding residual stress field (335.4 The calculated result and analysis of

26、welding stress field (35interface between weld and parent materials (375.5 The optimization of welding deformation (395.6 The summary of this chapter (47Chapter 6 The weld design of automobile chassis (496.1 Introduction (496.2 The building of evaluation method of load-carrying of weld (496.3 The sa

27、fety check of weld of automobile chassis (546.4 The optimization design of weld of automobile chassis (576.5 The loading spectrumand bench test (646.6 The summary of this chapter (65CONCLUSIONS (66REFERENCE (67THE PUBLISHED THESIS DURING STUDYING FOR MASTER (70ACKNOWLEDGE (71第1章绪论1.1项目来源及研究意义随着我国经济和

28、生活水平的不断提高,人们对汽车的需求欲望也越来越强。2009年,我国国产汽车年产销突破1300万辆,标志着我国成为世界第一汽车生产和消费国,汽车保有量在8000万辆左右,预计到2020年我国汽车保有量将超过2亿,2030年有可能达到4.5亿辆,由此可以看出我国汽车工业正处在一个高速发展时期。然而,长期以来,我国汽车企业大都照搬国外的技术来生产汽车,不注重研发具有自主知识产权的核心技术,这显然已跟不上我国汽车工业发展的需要。因此本课题就是基于汽车工业蓬勃发展的背景对汽车底盘(后桥和副车架焊缝设计技术进行了研究。汽车底盘(后桥和副车架是汽车上重要的零部件,其为焊接构件,主要采用机器人MAG焊和电阻

29、点焊。后桥是连接并支撑后车轮的装置,如果是前桥驱动的车辆,那么后桥仅仅起到承载的作用,如果是后桥驱动,其除了承载作用外,还起到驱动、减震、减速和差速的作用;副车架并非完整的车架,只是支承前后车桥、悬挂的支架,通过它使车桥、悬挂再与“正车架”相连,习惯上称为“副架”,副车架的作用是阻隔振动和噪声,减少其直接进入车厢1。因此对汽车底盘进行焊缝设计研究显得尤为重要。以前,包括现在,国内汽车企业及研究中心在对汽车底盘焊缝进行设计时,常常得不到令人满意的结果,计算与实测结果有一些偏差,这对新产品的开发是不利的,这是因为为了提高计算效率和简化计算,大都采用二维壳单元进行计算2,忽略焊缝的存在和焊接残余应力

30、的影响,把焊缝简单处理为刚性连接,而真实焊缝模型比简化的刚性连接焊缝模型计算出来的结果更接近实际3。因此,本文在建立三维体单元的基础上,对汽车底盘的焊接温度场、残余应力场以及焊接变形进行了预测,选择改变焊缝的焊接顺序和焊接方向的方法对焊接变形进行优化,提出将工作载荷与焊接残余应力进行合成计算并采用安全系数N来评价焊缝承载性能,通过改变焊缝数量、长度以及布道位置的方法对焊缝进行优化设计,最终建立了汽车底盘焊缝设计技术方法,这对我国汽车企业形成自主设计技术模式以及自主研发新产品具有十分重要的意义。1.2汽车底盘技术的发展现状随着我国经济的不断发展,我国汽车市场也迎来了爆发,汽车逐渐大量进入老百姓的

31、家中,成为人们生活中不可缺少的工具。随着人们对汽车需求不断提高,对汽车的“筋骨”-底盘各方面要求也不断提高,对其安全性、新电子技术、新材料和新工艺等方面提出了更高要求4。电子技术的应用可以提高汽车的安全和驾驶性能,例如防抱死制动系统(ABS、自适应巡航控制系统(ACC、泊车辅助系统(PLA、车道偏离和驾驶员警示系统、胎压监测系统(TPMS。(1防抱死制动系统(ABSABS系统是一种开发时间最长、应用最为广泛的电子零件。其作用是为了防止汽车在紧急刹车时车轮发生抱死拖滑、失去转动等所带来的不安全因素,使汽车紧急情况下也能安全操纵。目前,在发达国家,与ABS系统功能相似的ESP系统已被强制安装在各种

32、汽车上,而我国生产的汽车中只有高端车辆才配备这种系统,随着人们对汽车安全性能要求的不断提高,该系统将逐渐配备在低端车中。(2自适应巡航控制系统(ACCACC系统是通过车距传感器(雷达扫描车辆前方道路是否有障碍物和车间距并利用车速传感器采集车速信号,当车距过小时,通过该系统可以控制防抱死系统和发动机控制系统,使车速降低,以此来增加车间距。目前,国外很多高端车都安装了该系统,而我国生产的汽车很少装备这种系统,相信在未来一段时间内该系统会给我国汽车用户带来很大的益处。(3轮胎气压监控系统(TPMSTPMS系统的作用是通过实时监控轮胎的实际气压,当轮胎气压不在一个合理的范围时会向驾驶员发出警告,这样可

33、以减少轮胎损耗、降低油耗、防止轮胎破坏,提高了汽车的安全性能。随着我国的道路状况越来越好,该系统也逐渐被安装在汽车上。目前我国配备TPMS的车型主要有领驭、朗逸、荣威550、奥迪A6、宝马3系、5系等。(4自动辅助泊车系统(PLAPLA系统的原理是通过车头两侧的雷达探头探测路面两侧的空间大小,然后将停车位置尺寸与车身长度进行比较,如果停车位置尺寸大于车身长度,那么司机只要控制刹车,汽车就会自动驶入停车位置。在国外,只有高端车才装备此系统,而在我国,昊锐和途观等B级车率先配置了该系统。(5驾驶员警示控制系统(DACDAC系统是通过安装在风挡和车内后视镜之间的摄像头对汽车与车道标志之间的距离进行测

34、量,用传感器记录汽车的运动轨迹,然后控制单元储存信息并对汽车的轨迹进行评估,如果汽车从一个车道转到了另一个车道而没有进行转向操作时,该系统会发出轻微的警示音。目前,该系统已经安装在奥迪、沃尔沃、宝马等高级车上。2008年,我国汽车燃油量占石油总消耗量的比例从2000年的17.8%增加到33%左右,成为石油消耗的主要领域。据美国某研究部门的数据,车重对油耗的影响比重占0.742;有人测量了一辆时速为60km/h的汽车在乘坐五人时的油耗比乘坐一人时增加了0.52L/百公里,由此可见,汽车的重量对油耗有很大的影响,减轻汽车重量可以大大降低油耗。因此汽车轻量化开始逐渐被人们所重视,而汽车底盘技术的轻量

35、化是未来的发展方向之一。近几年来,为了减轻汽车重量,高强度钢的用量有了较大增长,铝合金、镁合金等轻质合金材料在底盘上的应用逐渐增加,一些汽车企业采用碳纤维增强聚合基复合材料制造底盘零部件,粉末冶金材料也向大型化、高强度方向发展5。杨军、元海兵7对挖掘机动臂与侧板处焊缝开裂的现象进行了有限元分析,通过有限元计算,对角接接头焊透和未焊透进行了分析,得出焊透的角接接头在强度以及焊接变形方面都要优于未焊透的角接接头的结论。王庆、张彦华8对钢结构角焊缝焊脚尺寸与强度的关系进行了研究,为钢结构角焊缝强度设计提供了参考。杨先勇、刘安中等9研究了偏轨箱形梁横向加强板焊缝设计对主梁承载能力的影响,通过对偏轨箱形

36、梁横向加强板四周均焊和在受拉翼缘处空开两种焊接方式的研究,得出加强板在受拉翼缘处空开时(即不进行焊接,主梁的承载能力比加强板四周均焊时高,且简化了焊接结构与工艺,但主梁刚度比加强板四周均焊时略小。江苏科技大学的罗智超10对汽车驾驶舱横梁支架(CCB焊缝进行了优化设计,在保证支架安全性能的前提下缩短焊缝长度,并建立了焊缝质量评价体系。但是几乎没有人对汽车底盘焊缝设计技术进行过研究,因此本文在前人研究的基础上提出了适用于汽车底盘的焊缝承载评价方法以及安全系数范围,建立一套汽车底盘焊缝设计技术方法,采用此方法对汽车底盘焊缝进行设计,然后进行路谱和台架试验,结果表明焊缝未发生失效,从而说明了本文所建立

37、的汽车底盘焊缝设计技术方法的正确性。1.3焊接数值模拟技术的国内外发展及研究现状焊接是指通过适当的手段使两个分离的固态物体产生原子(分子间结合而成为一体的连接方法,采用的方法主要包括电弧热、火焰、摩擦热、电阻热、爆炸热、压力等,因此焊接是一个涉及多学科的工艺方法,例如电弧物理、传热学、化学冶金、物理冶金、材料力学、电工学以及计算机技术等11。焊接具有节约材料、生产效率高、结构强度高、密封性好以及易实现机械化和自动化等优点,但是由于不均匀的加热和冷却过程导致工件易产生焊接残余应力及变形,在一定条件下会降低到结构的承载能力,因此人们对焊接应力和变形的研究一直没有停止过。以前,人们对焊接温度场、应力

38、场和变形的分析都是基于试验的基础上,不仅繁琐,而且劳动量比较大,精度也不高,但是随着计算机水平的不断提高,利用计算机技术模拟焊接过程成为了可能。我国研究者对焊接热传导的数值模拟也进行了大量的研究,取得了很大的成就。1981年,西安交通大学的唐慕尧24等首先对薄板的准稳态焊接温度场进行了模拟计算。1985年,兰州理工大学的樊丁25通过模拟计算得到了电弧的压力场分布规律,建立了较全面的电弧热传导数值模型。1996年,上海交通大学的汪建华26等与日本大阪大学通过对三维热弹塑性有限元技术的仔细研究,总结出提高计算精度和改善收敛性的方法,采用这些方法对一些构件进行计算,得到了良好的结果,并研发了基于固有

39、应变的焊接变形预测软件WSDP,成功地预测了大型复杂结构的焊接变形。2000年,山东大学的武传松27对脉冲TIG焊的熔池行为进行了计算,并且在对熔化极气体保护焊熔池热流场的仿真研究中得到了一些成果。2001年,清华大学的鹿安理、蔡志鹏28等建立了厚板的三维有限元模型,采用MARC软件对其焊接过程进行了仿真模拟,并开发了专业化接口,将网格自适应技术应用于焊接过程的模拟计算,这对缩短大型复杂结构件焊接过程模拟计算时间创造了条件。2002年,武汉大学的周炼刚、张富巨29等以高斯热源为热源模型模拟了CO2窄间隙焊在短路过渡下的温度场进行了模拟计算,结果表明,实测值与计算值相一致。2007年,天津大学的

40、李慧娟30等利用ANSYS的“生死单元”技术对厚板多层多道的三维有限元模型进行了焊接过程的仿真计算,得到了焊接温度场的分布规律,并测量了多个测试点的焊接热过程曲线,结果表明,实测值与计算值相一致。焊接残余应力是焊后残留在结构中的内应力,焊接残余应力的产生原因是由于高温局部加热以及不均匀的冷却使金属收缩不一致,人们对其研究热度一直都很高。以前,在计算机还没开始应用前,研究者们都是通过实测值总结出一些经验公式来推导残余应力的分布,但是这只能对一些形状规则的简单结构件进行残余应力的预测,带江苏科技大学工学硕士学位论文来了很大的局限性。焊接热力模拟理论的不断发展以及计算机性能的不断提高使得对大型复杂结

41、构件的残余应力预测有了可能。我国焊接研究人员对焊接残余应力的模拟计算起步较晚,开始于20世纪70年代。西安交大的楼志文38等首先运用数值分析的方法对焊接热过程和应力场进行模拟计算,模拟了两个比较简单的焊接问题,并对结果进行了分析。之后,上海交大焊接教研室的研究人员模拟了在低温条件下消除焊接残余应力的效果,并得到了最佳工艺参数,并通过试验验证了模拟结果的准确性。1995年,西安交大的张建勋39基于热弹塑性有限元法,利用TEPFEM有限元程序对Co基合金静叶片在进行电子束焊接时的焊接工艺对焊接残余应力的影响进行了仿真计算。1999年,西安石油学院的李霄、李栋才40等建立了宽、窄板的有限元模型,并分

42、别模拟了两种模型的焊接残余应力场,然后对在三种拉伸载荷下消除焊接残余应力的过程进行了仿真计算。2000年,天津大学的陈俊梅、霍立兴、张玉凤41等建立了A3钢十字接头的有限元模型,借助ANSYS 有限元分析软件模拟了焊接残余应力场的分布。2001年,清华大学的蔡志鹏42选择分段移动高斯热源和串形热源模型,对35米长的特大型工件焊接内应力产生和变形过程进行了模拟计算,获得了良好的结果;之后陈芙蓉43等基于ANSYS热弹塑性理论,分别预测了钛合金薄板在焊接状态下和局部热处理状态下两种接头的应力场分布。2003年,华中科技大学的罗金华、王晓熙、胡伦骥44等建立了中厚板对接多层多道焊的有限元模型,然后模

43、拟计算了焊接应力场的分布,并分析了不同时刻各个方向的焊接应力的变化,得到了最终的焊接变形。2007年,上海交通大学的朱政强、陈立功45等建立厚板N-SAW(窄间隙埋弧焊的有限元模型,仿真计算了焊接残余应力场的分布,同时给出了厚板上、下表面和厚度方向上的残余应力分布曲线,通过与试验结果相比较表明实测值与模拟值相一致;之后,张利国、方洪渊46等利用数值模拟的方法第1章绪论研究了焊接顺序对T形接头的焊接残余应力分布的影响。1.4本文研究内容通过对项目来源及研究意义的分析和对当前汽车底盘技术、焊接数值模拟技术的发展及研究现状的了解,本文将从以下几个方面展开研究:(1测量汽车底盘(后桥和副车架各焊缝的焊

44、接热过程曲线,采用小孔法测量悬架臂与衬套管焊缝的焊接残余应力大小,为焊接温度场和残余应力场的模拟计算奠定基础。(2利用Hypermesh软件建立汽车底盘(后桥和副车架的三维有限元模型,确定单元类型、热源模型、热物理性能参数、边界换热系数、机械性能参数、约束位置等。采用ANSYS生死单元技术实现焊缝的填充过程,选择间接耦合的方法(先温度场,再应力场计算焊接温度场和残余应力场的分布,并与实测值相比较。(3建立焊接变形量合格判据,预测汽车底盘(后桥和副车架各工位的焊接变形量,对于焊接变形量超过合格判据范围的位置,选择改变焊缝的焊接顺序和焊接方向的方法来进行优化。(4对悬架臂和衬套管进行拉伸破坏试验,

45、并对其进行拉伸载荷和焊接残余应力的合成计算,基于实测和模拟计算结果建立焊缝破坏判据以及焊缝承载评价方法,确定焊缝安全系数范围。(5对汽车底盘(后桥和副车架进行工作载荷和焊接残余应力场的合成计算,提取各焊缝的最大合成应力值,并根据焊缝承载评价方法,计算出各焊缝的最小安全系数,得出哪些焊缝是发生失效的,采用改变焊缝数量、长度以及布道位置的方法优化焊缝,最终形成了汽车底盘焊缝设计技术方法。试制汽车底盘(后桥和副车架样品,查看采用本文所建立的汽车底盘焊缝设计技术能否达到合格要求。江苏科技大学工学硕士学位论文第2章汽车底盘焊缝设计技术研究方法2.1引言自从我国成为第三个汽车年产超过1000万辆的国家之后

46、,国际汽车制造中心正向中国转移,这标志着我国已经成为汽车制造大国,但应清楚的认识到我国还不是汽车制造强国,这是因为我国汽车企业没有拥有先进的汽车核心技术,没有自己的技术体系,大都是在与国外汽车企业合资建厂的基础上引进先进技术进行生产制造,不注重研发自己的核心技术,这样就会陷入“引进-落后-再引进-再落后”恶性循环的模式,严重制约了我国汽车工业的发展,导致我国长期处于汽车制造大国的状态,成为国外汽车企业的代加工基地,这是我们不愿意看到的。本文基于ANSYS有限元技术,并以试验为基础对汽车底盘焊缝设计技术进行了研究,确定了焊缝破坏判据,引入了微观断裂强度bw的概念,提出了焊缝承载评价方法并对焊缝进

47、行了优化设计,建立了一套汽车底盘焊缝设计技术,这对提高我国汽车工业的自主研发、创新水平有着非常重要的促进作用。2.2研究思路如图2.1所示为汽车底盘焊缝设计技术研究思路,从图中可以看出,有三个非常重要的步骤,首先是建立焊缝承载评价方法,其次是根据焊缝承载评价方法对焊缝安全校核,最后是选择改变焊缝数量、长度以及布道位置的方法优化设计焊缝。后桥焊接温度场计算副车架350300250200图2.1 汽车底盘焊缝设计技术研究思路第2章汽车底盘焊缝设计技术研究方法焊缝承载评价方法是汽车底盘焊缝设计技术研究最为重要的组成部分,其为焊缝安全校核的前提。本文选取后桥的悬架臂和衬套管为研究对象来建立焊缝承载评价

48、方法,其流程如图2.2所示: 图2.2 焊缝承载评价方法的建立流程图其次是建立三维有限元模型,利用ANSYS有限元软件对悬架臂和衬套管进行焊接温度场和残余应力场的模拟计算,获取与实际试验相对应测试点的焊接热过程曲线以及焊接残余应力大小,当实测与模拟计算结果相吻合时就认为焊接温度场和残余应力场的计算结果是正确的,然后采用ANSYS的读写命令“INISTATE”得到“.ist”格式的焊接残余应力文件。对后桥的悬架臂和衬套管进行拉伸破坏试验,得到平均拉伸载荷值并发现焊缝发生失效的位置。然后对悬架臂和衬套管进行拉伸载荷与焊接残余应力的合成计算,将“.ist”格式的焊接残余应力文件作为初始载荷导入模型中

49、进行求解计算得到合成应力场的分布,获取焊缝与母材交界面各个方向的最大应力值max=x,y,z,基于此确定焊缝破坏判据x,y,z800MPa=bw,bw为微观断裂强度,建立了焊缝承载性能评价方法,采用安全系数N=bw/max评价焊缝承载性能,然后查阅相关资料以及江苏科技大学工学硕士学位论文汽车底盘所承受载荷的复杂性确定了安全系数N的范围。当建立焊缝承载评价方法后,就要对汽车底盘(后桥和副车架进行焊缝安全校核,并与实际测量结果向比较,如图2.3所示为焊缝安全校核流程图: 图2.3 焊缝安全校核流程图采用在计算悬架臂和衬套管焊接温度场和残余应力场时的参数命令对后桥和副车架进行焊接温度场和残余应力场计

50、算。由于后桥和副车架是在多个工位(多个变位机上组焊完成的,所以在对其进行焊接温度场和残余应力场计算时,分别计算出各个工位上所焊接部件的焊接残余应力场分布,并得到“.ist”格式的焊接残余应力文件。将各个工位上所焊部件的焊接应力文件作为初始载荷与后桥和副车架在实际工作中所承受的工作载荷进行合成计算,当把每一个工况的工作载荷与焊接残余应力进行合成计算后,提取出各焊缝在所有工况中的最大合成应力值max=maxxmax,ymax,zmax1.xmax,ymax,zmaxn,n表示工况数,并代入安全系数N的计算公式中,得到各焊缝的最小安全系数,最后根据焊缝安全系数范围评价焊缝是否发生失效,并与实测结果比

51、较来检验计算结果的正确性。经综合考虑,在不改变结构整体形状的基础上,本文采用改变改变焊缝数量、长度以及布道位置的方法对焊缝进行优化设计,如图2.4所示为焊缝优化设计流程图:第2章汽车底盘焊缝设计技术研究方法 图2.4 焊缝优化设计流程图首先对后桥和副车架模型进行修改,例如改变焊缝的数量、长度以及布道位置等,然后对其焊接温度场和残余应力场进行重新计算,然后将焊缝发生失效的工况的工作载荷与焊接残余应力场进行合成计算,提取出该焊缝的最大合成应力值,并计算出最小安全系数N,根据焊缝安全系数范围来判定焊缝是否是安全的,如果安全校核结果是失效的,则需要继续对其进行优化设计,直到校核结果是安全的为止。2.3

52、本章小结本章通过对焊缝承载评价方法的建立、焊缝安全校核以及焊缝优化设计的过程的详细阐述,建立了汽车底盘焊缝设计技术研究方法,对汽车零部件焊缝设计研究的发展起到了一定的作用。江苏科技大学工学硕士学位论文第3章汽车底盘焊接热过程及残余应力测量试验3.1引言汽车底盘(后桥和副车架的工艺试验主要包括焊接热过程的测量试验和焊接残余应力测量试验,目的是为了验证焊接温度场和残余应力场模拟计算的正确性,因此是非常重要的。3.2焊接热过程测量试验汽车底盘(后桥和副车架的焊接方法为机器人MAG焊,保护气体为80%Ar+20%CO2,焊丝为锦州锦泰金属工业有限公司生产的桶装JM-56型焊丝,焊丝直径为1.2mm,焊

53、丝包装如图3.1所示: 图3.1 JM-56型焊丝包装JM-56焊丝的机械性能参数如表3.1所示:表3.1 JM-56焊丝机械性能参数Table 3.1 The mechanical performance parameters of JM-56 welding wire 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/% 550 430 29汽车底盘(后桥和副车架完全采用机械化焊接方法,因此在试验过程中所用到第3章汽车底盘焊接热过程及残余应力测量试验的试验设备主要有MOTOWELD-EH500大功率焊接电源、焊接变位机、焊接机器人等,如图3.2所示: (aMOTOWELD-EH500电源(b焊接

54、变位机 (c焊接机器人图3.2 试验设备(1后桥焊接工艺制造一个后桥整件需要经过五个工位(即五个变位机的焊接,本文将第一工位的焊接称为工位,该工位各焊缝的焊接顺序为-1、-2、-3等,第二工位的焊接称为工位,以此类推。如图3.3所示为后桥焊缝位置及焊接顺序: (a工位(b工位江苏科技大学工学硕士学位论文 (c、工位(d工位图3.3 后桥焊缝位置及焊接顺序如表3.2所示为后桥各个焊缝的焊接工艺参数,从表中可以看出焊接电流的范围为240A270A之间,焊接电压在26V左右,焊接速度在5570cm/min之间。表3.2 后桥焊接工艺参数Table 3.2 The welding parameter

55、of rear焊接顺序焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/(cm/min焊接顺序焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/(cm/min-1 250 26 55 -1 270 25 55-2 245 26 55 -2 255 26 55-3 255 26 50 -3 250 25 55-4 240 26 50 -1 250 26 70-5 260 26 60 -2 240 26 70-6 250 26 60 -3 240 27 50-7 250 26 60 -4 240 27 50-8 250 26 60 -5 250 26 60-9 250 26 60 -6 250 26 60-10 250 26 60 -1 245 26 55-11 250 26 60 -2 245 26 55-1 245 26 55 -3 245 26 55-2 2