汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究 - 圖文-

1、 學(xué)校代碼: 10289 分類號: TG404 密 級: 公開 學(xué) 號: 092060087 江蘇科技大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究 研究生姓名 王華杰 導(dǎo)師姓名 周方明 教授 申請學(xué)位類別 工學(xué)碩士 學(xué)位授予單位 江 蘇 科 技 大 學(xué) 學(xué)科專業(yè) 材料加工工程 論文提交日期 2012 年 04 月 25 日 研究方向現(xiàn)代焊接質(zhì)量控制及裝備 論文答辯日期 2012 年 05 月 26 日 答辯委員會(huì)主席 周方明 評 閱 人 2012年05月26日汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究 王華杰江蘇科技大學(xué)分類號:TG404密級:公開學(xué)號:092060087工學(xué)碩士學(xué)位論文汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)

2、技術(shù)研究學(xué)生姓名王華杰指導(dǎo)教師周方明教授江蘇科技大學(xué)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江蘇科技大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭

3、重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名:年月日江蘇科技大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本

4、學(xué)位論文屬于:(1保密,在年解密后適用本授權(quán)書。(2不保密。學(xué)位論文作者簽名:指導(dǎo)教師簽名:年月日年月日摘 要針對國內(nèi)企業(yè)在設(shè)計(jì)汽車底盤(后橋和副車架焊縫時(shí)完全照搬國外技術(shù),并且往往不能得到滿意的結(jié)果,因此開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。建立了汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究思路。通過對懸架臂和襯套管進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)以及進(jìn)行拉伸載荷和焊接殘余應(yīng)力的合成計(jì)算確定了焊縫破壞判據(jù)以及焊縫承載評價(jià)方法,提出了焊縫微觀斷裂強(qiáng)度的概念。對汽車底盤各工況的工作載荷與焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了合成計(jì)算并對各焊縫的承載性能進(jìn)行了評價(jià),最后選擇改變焊縫數(shù)量、長度以及布道位置的方法對焊縫進(jìn)行

5、優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用機(jī)器人MAG 焊對汽車底盤(后橋和副車架進(jìn)行了焊接,完成了汽車底盤焊接熱過程的測量,得到了各測試點(diǎn)的焊接熱過程曲線,采用小孔法測量了懸架臂和襯套管各測試點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力,為焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的模擬計(jì)算提供了可靠的參考依據(jù)。建立了三維有限元模型,采用ANSYS 生死單元技術(shù)和內(nèi)部生熱熱源對懸架臂和襯套管的焊接溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,焊接熱過程曲線的實(shí)測與計(jì)算結(jié)果相吻合?；贏NSYS 間接耦合法對懸架臂和襯套管的焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,縱向殘余應(yīng)力在焊縫及近縫區(qū)以拉應(yīng)力為主,橫向殘余應(yīng)力在焊縫區(qū)以兩端為拉應(yīng)力、中間為壓應(yīng)力為主,而在近縫區(qū)以兩端為壓應(yīng)力、

6、中間為拉應(yīng)力為主。各測試點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力實(shí)測與計(jì)算值有一定的誤差,但是曲線的趨勢相一致。建立了焊接變形量合格判據(jù):,2x y z d mm ,并對汽車底盤(后橋和副車架各工位的焊接變形量進(jìn)行了預(yù)測,結(jié)果表明,后橋工位的焊接變形量達(dá)到了8.6mm ,與實(shí)測結(jié)果相吻合。采用改變焊接順序和焊接方向的方法來優(yōu)化焊接變形,當(dāng)改變焊縫1和焊縫3的焊接方向,焊縫2的焊接方向不變,焊接順序?yàn)?先焊縫3,其次焊縫2,最后焊縫1時(shí),焊接變形量為1.3mm ,得到了良好的結(jié)果。采用安全系數(shù)N 對焊縫的承載性能進(jìn)行評價(jià),并確定了各類焊縫安全系數(shù)N 的范圍。利用本文所建立的焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)對汽車底盤(后橋和副車架焊縫進(jìn)行了

7、安全校核以及優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明,實(shí)際焊縫失效位置與計(jì)算結(jié)果相一致,經(jīng)過優(yōu)化后的焊縫的承載評價(jià)結(jié)果是安全的,最終本文所建立的汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)成功應(yīng)用于兩種型號的后橋。關(guān)鍵詞:汽車;底盤;機(jī)器人MAG 焊;焊縫設(shè)計(jì);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目錄摘要 . I Abstract . II 第1章緒論 . (11.1項(xiàng)目來源及研究意義 (11.2汽車底盤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 (11.3焊接數(shù)值模擬技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀 (41.4本文研究內(nèi)容 (7第2章汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究方法 (82.1引言 (82.2研究思路 (82.3本章小結(jié) (11第3章汽車底盤焊接熱過程及殘余應(yīng)力測量試驗(yàn) (123.1引言 (123.2焊接熱過程測量試驗(yàn) (123.3焊接殘余應(yīng)力測量試驗(yàn) (183.4本章小結(jié) (22第

20、4章汽車底盤焊接溫度場的有限元計(jì)算 (234.1引言 (234.2幾何模型的建立 (234.3有限元模型的建立 (234.4材料熱物理性能參數(shù) (264.5邊界換熱系數(shù) (274.6焊接溫度場模擬計(jì)算結(jié)果及分析 (274.7本章小結(jié) (30第5章汽車底盤焊接應(yīng)力場的有限元計(jì)算及變形預(yù)測 (315.1引言 (315.2焊接應(yīng)力場有限元分析理論 (315.3焊接殘余應(yīng)力場的計(jì)算 (335.4焊接應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果及分析 (355.5焊接變形優(yōu)化 (395.6本章小結(jié) (47第6章汽車底盤焊縫設(shè)計(jì) (496.1引言 (496.2焊縫承載評價(jià)方法的建立 (496.3汽車底盤焊縫安全校核 (546.4汽車底

21、盤焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì) (576.5路譜及臺(tái)架試驗(yàn) (646.6本章小結(jié) (65結(jié)論 (66參考文獻(xiàn) (67攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)位論文 (70致謝 (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章緒論1.1項(xiàng)目來源及研究意義隨著我國經(jīng)濟(jì)和

28、生活水平的不斷提高,人們對汽車的需求欲望也越來越強(qiáng)。2009年,我國國產(chǎn)汽車年產(chǎn)銷突破1300萬輛,標(biāo)志著我國成為世界第一汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國,汽車保有量在8000萬輛左右,預(yù)計(jì)到2020年我國汽車保有量將超過2億,2030年有可能達(dá)到4.5億輛,由此可以看出我國汽車工業(yè)正處在一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。然而,長期以來,我國汽車企業(yè)大都照搬國外的技術(shù)來生產(chǎn)汽車,不注重研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù),這顯然已跟不上我國汽車工業(yè)發(fā)展的需要。因此本課題就是基于汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展的背景對汽車底盤(后橋和副車架焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。汽車底盤(后橋和副車架是汽車上重要的零部件,其為焊接構(gòu)件,主要采用機(jī)器人MAG焊和電阻

29、點(diǎn)焊。后橋是連接并支撐后車輪的裝置,如果是前橋驅(qū)動(dòng)的車輛,那么后橋僅僅起到承載的作用,如果是后橋驅(qū)動(dòng),其除了承載作用外,還起到驅(qū)動(dòng)、減震、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(xí)慣上稱為“副架”,副車架的作用是阻隔振動(dòng)和噪聲,減少其直接進(jìn)入車廂1。因此對汽車底盤進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)研究顯得尤為重要。以前,包括現(xiàn)在,國內(nèi)汽車企業(yè)及研究中心在對汽車底盤焊縫進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),常常得不到令人滿意的結(jié)果,計(jì)算與實(shí)測結(jié)果有一些偏差,這對新產(chǎn)品的開發(fā)是不利的,這是因?yàn)闉榱颂岣哂?jì)算效率和簡化計(jì)算,大都采用二維殼單元進(jìn)行計(jì)算2,忽略焊縫的存在和焊接殘余應(yīng)力

30、的影響,把焊縫簡單處理為剛性連接,而真實(shí)焊縫模型比簡化的剛性連接焊縫模型計(jì)算出來的結(jié)果更接近實(shí)際3。因此,本文在建立三維體單元的基礎(chǔ)上,對汽車底盤的焊接溫度場、殘余應(yīng)力場以及焊接變形進(jìn)行了預(yù)測,選擇改變焊縫的焊接順序和焊接方向的方法對焊接變形進(jìn)行優(yōu)化,提出將工作載荷與焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行合成計(jì)算并采用安全系數(shù)N來評價(jià)焊縫承載性能,通過改變焊縫數(shù)量、長度以及布道位置的方法對焊縫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終建立了汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)方法,這對我國汽車企業(yè)形成自主設(shè)計(jì)技術(shù)模式以及自主研發(fā)新產(chǎn)品具有十分重要的意義。1.2汽車底盤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國汽車市場也迎來了爆發(fā),汽車逐漸大量進(jìn)入老百姓的

31、家中,成為人們生活中不可缺少的工具。隨著人們對汽車需求不斷提高,對汽車的“筋骨”-底盤各方面要求也不斷提高,對其安全性、新電子技術(shù)、新材料和新工藝等方面提出了更高要求4。電子技術(shù)的應(yīng)用可以提高汽車的安全和駕駛性能,例如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC、泊車輔助系統(tǒng)(PLA、車道偏離和駕駛員警示系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS。(1防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABSABS系統(tǒng)是一種開發(fā)時(shí)間最長、應(yīng)用最為廣泛的電子零件。其作用是為了防止汽車在緊急剎車時(shí)車輪發(fā)生抱死拖滑、失去轉(zhuǎn)動(dòng)等所帶來的不安全因素,使汽車緊急情況下也能安全操縱。目前,在發(fā)達(dá)國家,與ABS系統(tǒng)功能相似的ESP系統(tǒng)已被強(qiáng)制安裝在各種

32、汽車上,而我國生產(chǎn)的汽車中只有高端車輛才配備這種系統(tǒng),隨著人們對汽車安全性能要求的不斷提高,該系統(tǒng)將逐漸配備在低端車中。(2自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACCACC系統(tǒng)是通過車距傳感器(雷達(dá)掃描車輛前方道路是否有障礙物和車間距并利用車速傳感器采集車速信號,當(dāng)車距過小時(shí),通過該系統(tǒng)可以控制防抱死系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),使車速降低,以此來增加車間距。目前,國外很多高端車都安裝了該系統(tǒng),而我國生產(chǎn)的汽車很少裝備這種系統(tǒng),相信在未來一段時(shí)間內(nèi)該系統(tǒng)會(huì)給我國汽車用戶帶來很大的益處。(3輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMSTPMS系統(tǒng)的作用是通過實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎的實(shí)際氣壓,當(dāng)輪胎氣壓不在一個(gè)合理的范圍時(shí)會(huì)向駕駛員發(fā)出警告,這樣可

33、以減少輪胎損耗、降低油耗、防止輪胎破壞,提高了汽車的安全性能。隨著我國的道路狀況越來越好,該系統(tǒng)也逐漸被安裝在汽車上。目前我國配備TPMS的車型主要有領(lǐng)馭、朗逸、榮威550、奧迪A6、寶馬3系、5系等。(4自動(dòng)輔助泊車系統(tǒng)(PLAPLA系統(tǒng)的原理是通過車頭兩側(cè)的雷達(dá)探頭探測路面兩側(cè)的空間大小,然后將停車位置尺寸與車身長度進(jìn)行比較,如果停車位置尺寸大于車身長度,那么司機(jī)只要控制剎車,汽車就會(huì)自動(dòng)駛?cè)胪＼囄恢?。在國?只有高端車才裝備此系統(tǒng),而在我國,昊銳和途觀等B級車率先配置了該系統(tǒng)。(5駕駛員警示控制系統(tǒng)(DACDAC系統(tǒng)是通過安裝在風(fēng)擋和車內(nèi)后視鏡之間的攝像頭對汽車與車道標(biāo)志之間的距離進(jìn)行測

34、量,用傳感器記錄汽車的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后控制單元儲(chǔ)存信息并對汽車的軌跡進(jìn)行評估,如果汽車從一個(gè)車道轉(zhuǎn)到了另一個(gè)車道而沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí),該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出輕微的警示音。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)安裝在奧迪、沃爾沃、寶馬等高級車上。2008年,我國汽車燃油量占石油總消耗量的比例從2000年的17.8%增加到33%左右,成為石油消耗的主要領(lǐng)域。據(jù)美國某研究部門的數(shù)據(jù),車重對油耗的影響比重占0.742;有人測量了一輛時(shí)速為60km/h的汽車在乘坐五人時(shí)的油耗比乘坐一人時(shí)增加了0.52L/百公里,由此可見,汽車的重量對油耗有很大的影響,減輕汽車重量可以大大降低油耗。因此汽車輕量化開始逐漸被人們所重視,而汽車底盤技術(shù)的輕量

35、化是未來的發(fā)展方向之一。近幾年來,為了減輕汽車重量,高強(qiáng)度鋼的用量有了較大增長,鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料在底盤上的應(yīng)用逐漸增加,一些汽車企業(yè)采用碳纖維增強(qiáng)聚合基復(fù)合材料制造底盤零部件,粉末冶金材料也向大型化、高強(qiáng)度方向發(fā)展5。楊軍、元海兵7對挖掘機(jī)動(dòng)臂與側(cè)板處焊縫開裂的現(xiàn)象進(jìn)行了有限元分析,通過有限元計(jì)算,對角接接頭焊透和未焊透進(jìn)行了分析,得出焊透的角接接頭在強(qiáng)度以及焊接變形方面都要優(yōu)于未焊透的角接接頭的結(jié)論。王慶、張彥華8對鋼結(jié)構(gòu)角焊縫焊腳尺寸與強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了研究,為鋼結(jié)構(gòu)角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了參考。楊先勇、劉安中等9研究了偏軌箱形梁橫向加強(qiáng)板焊縫設(shè)計(jì)對主梁承載能力的影響,通過對偏軌箱形

36、梁橫向加強(qiáng)板四周均焊和在受拉翼緣處空開兩種焊接方式的研究,得出加強(qiáng)板在受拉翼緣處空開時(shí)(即不進(jìn)行焊接,主梁的承載能力比加強(qiáng)板四周均焊時(shí)高,且簡化了焊接結(jié)構(gòu)與工藝,但主梁剛度比加強(qiáng)板四周均焊時(shí)略小。江蘇科技大學(xué)的羅智超10對汽車駕駛艙橫梁支架(CCB焊縫進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在保證支架安全性能的前提下縮短焊縫長度,并建立了焊縫質(zhì)量評價(jià)體系。但是幾乎沒有人對汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行過研究,因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了適用于汽車底盤的焊縫承載評價(jià)方法以及安全系數(shù)范圍,建立一套汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)方法,采用此方法對汽車底盤焊縫進(jìn)行設(shè)計(jì),然后進(jìn)行路譜和臺(tái)架試驗(yàn),結(jié)果表明焊縫未發(fā)生失效,從而說明了本文所建立

37、的汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)方法的正確性。1.3焊接數(shù)值模擬技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀焊接是指通過適當(dāng)?shù)氖侄问箖蓚€(gè)分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子(分子間結(jié)合而成為一體的連接方法,采用的方法主要包括電弧熱、火焰、摩擦熱、電阻熱、爆炸熱、壓力等,因此焊接是一個(gè)涉及多學(xué)科的工藝方法,例如電弧物理、傳熱學(xué)、化學(xué)冶金、物理冶金、材料力學(xué)、電工學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等11。焊接具有節(jié)約材料、生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、密封性好以及易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),但是由于不均勻的加熱和冷卻過程導(dǎo)致工件易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力及變形,在一定條件下會(huì)降低到結(jié)構(gòu)的承載能力,因此人們對焊接應(yīng)力和變形的研究一直沒有停止過。以前,人們對焊接溫度場、應(yīng)力

38、場和變形的分析都是基于試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,不僅繁瑣,而且勞動(dòng)量比較大,精度也不高,但是隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬焊接過程成為了可能。我國研究者對焊接熱傳導(dǎo)的數(shù)值模擬也進(jìn)行了大量的研究,取得了很大的成就。1981年,西安交通大學(xué)的唐慕堯24等首先對薄板的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)焊接溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算。1985年,蘭州理工大學(xué)的樊丁25通過模擬計(jì)算得到了電弧的壓力場分布規(guī)律,建立了較全面的電弧熱傳導(dǎo)數(shù)值模型。1996年,上海交通大學(xué)的汪建華26等與日本大阪大學(xué)通過對三維熱彈塑性有限元技術(shù)的仔細(xì)研究,總結(jié)出提高計(jì)算精度和改善收斂性的方法,采用這些方法對一些構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算,得到了良好的結(jié)果,并研發(fā)了基于固有

39、應(yīng)變的焊接變形預(yù)測軟件WSDP,成功地預(yù)測了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形。2000年,山東大學(xué)的武傳松27對脈沖TIG焊的熔池行為進(jìn)行了計(jì)算,并且在對熔化極氣體保護(hù)焊熔池?zé)崃鲌龅姆抡嫜芯恐械玫搅艘恍┏晒?001年,清華大學(xué)的鹿安理、蔡志鵬28等建立了厚板的三維有限元模型,采用MARC軟件對其焊接過程進(jìn)行了仿真模擬,并開發(fā)了專業(yè)化接口,將網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于焊接過程的模擬計(jì)算,這對縮短大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件焊接過程模擬計(jì)算時(shí)間創(chuàng)造了條件。2002年,武漢大學(xué)的周煉剛、張富巨29等以高斯熱源為熱源模型模擬了CO2窄間隙焊在短路過渡下的溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)果表明,實(shí)測值與計(jì)算值相一致。2007年,天津大學(xué)的

40、李慧娟30等利用ANSYS的“生死單元”技術(shù)對厚板多層多道的三維有限元模型進(jìn)行了焊接過程的仿真計(jì)算,得到了焊接溫度場的分布規(guī)律,并測量了多個(gè)測試點(diǎn)的焊接熱過程曲線,結(jié)果表明,實(shí)測值與計(jì)算值相一致。焊接殘余應(yīng)力是焊后殘留在結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力,焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因是由于高溫局部加熱以及不均勻的冷卻使金屬收縮不一致,人們對其研究熱度一直都很高。以前,在計(jì)算機(jī)還沒開始應(yīng)用前,研究者們都是通過實(shí)測值總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)公式來推導(dǎo)殘余應(yīng)力的分布,但是這只能對一些形狀規(guī)則的簡單結(jié)構(gòu)件進(jìn)行殘余應(yīng)力的預(yù)測,帶江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文來了很大的局限性。焊接熱力模擬理論的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)性能的不斷提高使得對大型復(fù)雜結(jié)

41、構(gòu)件的殘余應(yīng)力預(yù)測有了可能。我國焊接研究人員對焊接殘余應(yīng)力的模擬計(jì)算起步較晚,開始于20世紀(jì)70年代。西安交大的樓志文38等首先運(yùn)用數(shù)值分析的方法對焊接熱過程和應(yīng)力場進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬了兩個(gè)比較簡單的焊接問題,并對結(jié)果進(jìn)行了分析。之后,上海交大焊接教研室的研究人員模擬了在低溫條件下消除焊接殘余應(yīng)力的效果,并得到了最佳工藝參數(shù),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。1995年,西安交大的張建勛39基于熱彈塑性有限元法,利用TEPFEM有限元程序?qū)o基合金靜葉片在進(jìn)行電子束焊接時(shí)的焊接工藝對焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了仿真計(jì)算。1999年,西安石油學(xué)院的李霄、李棟才40等建立了寬、窄板的有限元模型,并分

42、別模擬了兩種模型的焊接殘余應(yīng)力場,然后對在三種拉伸載荷下消除焊接殘余應(yīng)力的過程進(jìn)行了仿真計(jì)算。2000年,天津大學(xué)的陳俊梅、霍立興、張玉鳳41等建立了A3鋼十字接頭的有限元模型,借助ANSYS 有限元分析軟件模擬了焊接殘余應(yīng)力場的分布。2001年,清華大學(xué)的蔡志鵬42選擇分段移動(dòng)高斯熱源和串形熱源模型,對35米長的特大型工件焊接內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生和變形過程進(jìn)行了模擬計(jì)算,獲得了良好的結(jié)果;之后陳芙蓉43等基于ANSYS熱彈塑性理論,分別預(yù)測了鈦合金薄板在焊接狀態(tài)下和局部熱處理狀態(tài)下兩種接頭的應(yīng)力場分布。2003年,華中科技大學(xué)的羅金華、王曉熙、胡倫驥44等建立了中厚板對接多層多道焊的有限元模型,然后模

43、擬計(jì)算了焊接應(yīng)力場的分布,并分析了不同時(shí)刻各個(gè)方向的焊接應(yīng)力的變化,得到了最終的焊接變形。2007年,上海交通大學(xué)的朱政強(qiáng)、陳立功45等建立厚板N-SAW(窄間隙埋弧焊的有限元模型,仿真計(jì)算了焊接殘余應(yīng)力場的分布,同時(shí)給出了厚板上、下表面和厚度方向上的殘余應(yīng)力分布曲線,通過與試驗(yàn)結(jié)果相比較表明實(shí)測值與模擬值相一致;之后,張利國、方洪淵46等利用數(shù)值模擬的方法第1章緒論研究了焊接順序?qū)形接頭的焊接殘余應(yīng)力分布的影響。1.4本文研究內(nèi)容通過對項(xiàng)目來源及研究意義的分析和對當(dāng)前汽車底盤技術(shù)、焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀的了解,本文將從以下幾個(gè)方面展開研究:(1測量汽車底盤(后橋和副車架各焊縫的焊

44、接熱過程曲線,采用小孔法測量懸架臂與襯套管焊縫的焊接殘余應(yīng)力大小,為焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的模擬計(jì)算奠定基礎(chǔ)。(2利用Hypermesh軟件建立汽車底盤(后橋和副車架的三維有限元模型,確定單元類型、熱源模型、熱物理性能參數(shù)、邊界換熱系數(shù)、機(jī)械性能參數(shù)、約束位置等。采用ANSYS生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫的填充過程,選擇間接耦合的方法(先溫度場,再應(yīng)力場計(jì)算焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的分布,并與實(shí)測值相比較。(3建立焊接變形量合格判據(jù),預(yù)測汽車底盤(后橋和副車架各工位的焊接變形量,對于焊接變形量超過合格判據(jù)范圍的位置,選擇改變焊縫的焊接順序和焊接方向的方法來進(jìn)行優(yōu)化。(4對懸架臂和襯套管進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn),

45、并對其進(jìn)行拉伸載荷和焊接殘余應(yīng)力的合成計(jì)算,基于實(shí)測和模擬計(jì)算結(jié)果建立焊縫破壞判據(jù)以及焊縫承載評價(jià)方法,確定焊縫安全系數(shù)范圍。(5對汽車底盤(后橋和副車架進(jìn)行工作載荷和焊接殘余應(yīng)力場的合成計(jì)算,提取各焊縫的最大合成應(yīng)力值,并根據(jù)焊縫承載評價(jià)方法,計(jì)算出各焊縫的最小安全系數(shù),得出哪些焊縫是發(fā)生失效的,采用改變焊縫數(shù)量、長度以及布道位置的方法優(yōu)化焊縫,最終形成了汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)方法。試制汽車底盤(后橋和副車架樣品,查看采用本文所建立的汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)能否達(dá)到合格要求。江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究方法2.1引言自從我國成為第三個(gè)汽車年產(chǎn)超過1000萬輛的國家之后

46、,國際汽車制造中心正向中國轉(zhuǎn)移,這標(biāo)志著我國已經(jīng)成為汽車制造大國,但應(yīng)清楚的認(rèn)識(shí)到我國還不是汽車制造強(qiáng)國,這是因?yàn)槲覈嚻髽I(yè)沒有擁有先進(jìn)的汽車核心技術(shù),沒有自己的技術(shù)體系,大都是在與國外汽車企業(yè)合資建廠的基礎(chǔ)上引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造,不注重研發(fā)自己的核心技術(shù),這樣就會(huì)陷入“引進(jìn)-落后-再引進(jìn)-再落后”惡性循環(huán)的模式,嚴(yán)重制約了我國汽車工業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)致我國長期處于汽車制造大國的狀態(tài),成為國外汽車企業(yè)的代加工基地,這是我們不愿意看到的。本文基于ANSYS有限元技術(shù),并以試驗(yàn)為基礎(chǔ)對汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究,確定了焊縫破壞判據(jù),引入了微觀斷裂強(qiáng)度bw的概念,提出了焊縫承載評價(jià)方法并對焊縫進(jìn)

47、行了優(yōu)化設(shè)計(jì),建立了一套汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù),這對提高我國汽車工業(yè)的自主研發(fā)、創(chuàng)新水平有著非常重要的促進(jìn)作用。2.2研究思路如圖2.1所示為汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究思路,從圖中可以看出,有三個(gè)非常重要的步驟,首先是建立焊縫承載評價(jià)方法,其次是根據(jù)焊縫承載評價(jià)方法對焊縫安全校核,最后是選擇改變焊縫數(shù)量、長度以及布道位置的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)焊縫。后橋焊接溫度場計(jì)算副車架350300250200圖2.1 汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究思路第2章汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究方法焊縫承載評價(jià)方法是汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究最為重要的組成部分,其為焊縫安全校核的前提。本文選取后橋的懸架臂和襯套管為研究對象來建立焊縫承載評價(jià)

48、方法,其流程如圖2.2所示: 圖2.2 焊縫承載評價(jià)方法的建立流程圖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(jìn)行焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的模擬計(jì)算,獲取與實(shí)際試驗(yàn)相對應(yīng)測試點(diǎn)的焊接熱過程曲線以及焊接殘余應(yīng)力大小,當(dāng)實(shí)測與模擬計(jì)算結(jié)果相吻合時(shí)就認(rèn)為焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)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(yīng)力文件。對后橋的懸架臂和襯套管進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn),得到平均拉伸載荷值并發(fā)現(xiàn)焊縫發(fā)生失效的位置。然后對懸架臂和襯套管進(jìn)行拉伸載荷與焊接殘余應(yīng)力的合成計(jì)算,將“.ist”格式的焊接殘余應(yīng)力文件作為初始載荷導(dǎo)入模型中

49、進(jìn)行求解計(jì)算得到合成應(yīng)力場的分布,獲取焊縫與母材交界面各個(gè)方向的最大應(yīng)力值max=x,y,z,基于此確定焊縫破壞判據(jù)x,y,z800MPa=bw,bw為微觀斷裂強(qiáng)度,建立了焊縫承載性能評價(jià)方法,采用安全系數(shù)N=bw/max評價(jià)焊縫承載性能,然后查閱相關(guān)資料以及江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文汽車底盤所承受載荷的復(fù)雜性確定了安全系數(shù)N的范圍。當(dāng)建立焊縫承載評價(jià)方法后,就要對汽車底盤(后橋和副車架進(jìn)行焊縫安全校核,并與實(shí)際測量結(jié)果向比較,如圖2.3所示為焊縫安全校核流程圖: 圖2.3 焊縫安全校核流程圖采用在計(jì)算懸架臂和襯套管焊接溫度場和殘余應(yīng)力場時(shí)的參數(shù)命令對后橋和副車架進(jìn)行焊接溫度場和殘余應(yīng)力場計(jì)

50、算。由于后橋和副車架是在多個(gè)工位(多個(gè)變位機(jī)上組焊完成的,所以在對其進(jìn)行焊接溫度場和殘余應(yīng)力場計(jì)算時(shí),分別計(jì)算出各個(gè)工位上所焊接部件的焊接殘余應(yīng)力場分布,并得到“.ist”格式的焊接殘余應(yīng)力文件。將各個(gè)工位上所焊部件的焊接應(yīng)力文件作為初始載荷與后橋和副車架在實(shí)際工作中所承受的工作載荷進(jìn)行合成計(jì)算,當(dāng)把每一個(gè)工況的工作載荷與焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行合成計(jì)算后,提取出各焊縫在所有工況中的最大合成應(yīng)力值max=maxxmax,ymax,zmax1.xmax,ymax,zmaxn,n表示工況數(shù),并代入安全系數(shù)N的計(jì)算公式中,得到各焊縫的最小安全系數(shù),最后根據(jù)焊縫安全系數(shù)范圍評價(jià)焊縫是否發(fā)生失效,并與實(shí)測結(jié)果比

51、較來檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的正確性。經(jīng)綜合考慮,在不改變結(jié)構(gòu)整體形狀的基礎(chǔ)上,本文采用改變改變焊縫數(shù)量、長度以及布道位置的方法對焊縫進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖2.4所示為焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖:第2章汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究方法 圖2.4 焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖首先對后橋和副車架模型進(jìn)行修改,例如改變焊縫的數(shù)量、長度以及布道位置等,然后對其焊接溫度場和殘余應(yīng)力場進(jìn)行重新計(jì)算,然后將焊縫發(fā)生失效的工況的工作載荷與焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行合成計(jì)算,提取出該焊縫的最大合成應(yīng)力值,并計(jì)算出最小安全系數(shù)N,根據(jù)焊縫安全系數(shù)范圍來判定焊縫是否是安全的,如果安全校核結(jié)果是失效的,則需要繼續(xù)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),直到校核結(jié)果是安全的為止。2.3

52、本章小結(jié)本章通過對焊縫承載評價(jià)方法的建立、焊縫安全校核以及焊縫優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程的詳細(xì)闡述,建立了汽車底盤焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究方法,對汽車零部件焊縫設(shè)計(jì)研究的發(fā)展起到了一定的作用。江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第3章汽車底盤焊接熱過程及殘余應(yīng)力測量試驗(yàn)3.1引言汽車底盤(后橋和副車架的工藝試驗(yàn)主要包括焊接熱過程的測量試驗(yàn)和焊接殘余應(yīng)力測量試驗(yàn),目的是為了驗(yàn)證焊接溫度場和殘余應(yīng)力場模擬計(jì)算的正確性,因此是非常重要的。3.2焊接熱過程測量試驗(yàn)汽車底盤(后橋和副車架的焊接方法為機(jī)器人MAG焊,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2,焊絲為錦州錦泰金屬工業(yè)有限公司生產(chǎn)的桶裝JM-56型焊絲,焊絲直徑為1.2mm,焊

53、絲包裝如圖3.1所示: 圖3.1 JM-56型焊絲包裝JM-56焊絲的機(jī)械性能參數(shù)如表3.1所示:表3.1 JM-56焊絲機(jī)械性能參數(shù)Table 3.1 The mechanical performance parameters of JM-56 welding wire 抗拉強(qiáng)度/MPa 屈服強(qiáng)度/MPa 延伸率/% 550 430 29汽車底盤(后橋和副車架完全采用機(jī)械化焊接方法,因此在試驗(yàn)過程中所用到第3章汽車底盤焊接熱過程及殘余應(yīng)力測量試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備主要有MOTOWELD-EH500大功率焊接電源、焊接變位機(jī)、焊接機(jī)器人等,如圖3.2所示: (aMOTOWELD-EH500電源(b焊接

54、變位機(jī) (c焊接機(jī)器人圖3.2 試驗(yàn)設(shè)備(1后橋焊接工藝制造一個(gè)后橋整件需要經(jīng)過五個(gè)工位(即五個(gè)變位機(jī)的焊接,本文將第一工位的焊接稱為工位,該工位各焊縫的焊接順序?yàn)?1、-2、-3等,第二工位的焊接稱為工位,以此類推。如圖3.3所示為后橋焊縫位置及焊接順序: (a工位(b工位江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 (c、工位(d工位圖3.3 后橋焊縫位置及焊接順序如表3.2所示為后橋各個(gè)焊縫的焊接工藝參數(shù),從表中可以看出焊接電流的范圍為240A270A之間,焊接電壓在26V左右,焊接速度在5570cm/min之間。表3.2 后橋焊接工藝參數(shù)Table 3.2 The welding parameter

55、of rear焊接順序焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/(cm/min焊接順序焊接電流/A焊接電壓/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