分析汽车底盘结构件焊缝设计

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　　【摘 要】汽车底盘结构件是汽车部件当中起着关键性作用的部分，能否将这部分零部件焊接成功对汽车制造的发展起着奠基性的作用。本文主要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、长度以及焊缝位置的方法对焊缝进行优化设计。
　　【关键词】汽车底盘；焊缝设计
　　引言
　　后桥和副车架是底盘结构的重要部件。后桥是用来支撑和连接后车轮的装置，若是前桥驱动的车辆，那么后桥仅仅起到承载的作用，若是后桥驱动，除了承载作用，还起到驱动、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、汽车底盘焊缝设计技术研究方法
　　1.1、焊缝承载评价方法
　　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。首先对后桥的悬架臂和衬套管进行工艺试验，包括焊接热过程和残余应力测量试验。采用无纸记录仪测量出沿着焊缝方向和垂直焊缝方向各测试点的焊接热过程曲线，利用小孔法得到焊缝近缝区的纵向和横向焊接残余应力大小，为验证焊接温度场和残余应力场的正确性提供参考依据。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。
　　1.2、焊缝安全校核
　　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σmax=max{{σxmax，σymax，σzmax}1.....{σxmax，σymax，σzmax}n，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，并与实测结果比较来检验计算结果的正确性。
　　2、底盘结构件有限元模型建立
　　底盘结构件结构非常复杂，后桥结构主要由悬架臂、衬套管、横梁、弹簧支架、减震器支架以及支撑板等零件组成，副车架结构主要由前梁上下片、前衬套加强板、横梁前支撑管总成等组成。本文采用HYPERMESH软件对其进行网格划分，单元类型为SOLID70。在划分网格时，应注意将焊缝与母材交界面的单元的节点应一一对应。
　　3、焊接残余应力场的计算
　　3.1、有限元模型的转换
　　在计算焊接残余应力场时，不需要再重新建立有限元模型，当焊接温度场的计算结果与实测结果相吻合后，然后就可以模拟焊接残余应力场了。如果焊接温度场计算完成后没有退出ANSYS软件，只需再次进入前处理器/prep7中，通过单元转换命令ETCHG，TTS将SOLID70热单元转换成相对应的SOLID185结构单元，这两种单元的几何形状相同（SOLID185与SOLID70相比没有四棱锥形单元），SOLID185单元用于结构三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平移的自由度，单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力，还可以采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。
　　3.2、材料力学性能参数
　　在焊接残余应力场计算前，首先要确定材料的力学性能参数，例如泊松比、弹性模量、线膨胀系数、屈服强度以及切变模量等，同样，在高温区（700℃以上）的材料的力学性能参数是空白的，因此通常采用外推法来确定。
　　3.3、约束位置的确定
　　工件在进行焊接的时候，其一些部位会被一些夹具固定着，这些夹具的作用是为了防止工件在焊接过程中发生各种形式的变形，例如收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形以及扭曲变形等，因此在焊接应力场的模拟过程中，需要对模型进行约束，约束位置要根据实际工件上夹具所夹持的位置来确定。
　　4、焊接应力场计算结果及分析
　　4.1、焊接应力场的分
　　悬架臂和衬套管的焊接应力场云图得出，沿着焊缝方向上的焊接应力场，由于衬套管的边缘施加了约束，并且这个位置离焊缝比较近，温度比较高，因此其冷却收缩过程受到阻碍而产生拉应力；在焊缝及近缝区，由于该位置温度较高（达到金属熔点，本文是1500℃），而周围金属相对较冷，因此焊缝及近缝区金属受到周围冷金属的阻碍作用而产生拉应力，而焊缝两端受到的阻碍较小，因此拉应力较小。同时，从悬架臂和衬套管的焊接应力场云图得出，沿着垂直于焊缝方向上的焊接应力场，在焊缝近缝区以两端为压应力、中间为拉应力为主，但随着距焊缝距离的增加，拉应力值逐渐降低，而远离焊缝的位置为压应力，而在焊缝区以两端为拉应力、中间为压应力为主。
　　4.2、实测和计算结果比较
　　焊接应力场计算完毕后，提取与在进行测量焊接残余应力时所钻小孔相对应位置的焊接残余应力大小，实测和计算结果对比，从图中可以看出，个别点的实测和计算结果有些误差，但各测试点的应力值所连接成的曲线的趋势相吻合，说明了计算结果的正确性。
　　4.3、焊接变形优化
　　影响焊接变形的因素很多，例如焊接工艺参数的选择、焊接结构形状及材料、焊接方法的选择以及焊接顺序及方向等。从经济性和实用性方面考虑，首先选择改变焊缝的焊接顺序及焊接方向的方法抑制焊接变形，若改进结果无法满足要求，再依次选择改变焊接工艺参数、焊接件结构形状及材料和焊接方法等方法优化焊接变形。
　　5、关于焊接的具体流程和注意事项
　　对于汽车底盘的结构焊接有很多需要注意的事项，具体的流程是汽车企业非常注意的，在流程中有一些方案需要很多的注意事项。只有将具体的流程贯彻下去，才能够将汽车底盘的操作科学化合理化。对于焊接的形状需要进行针对性研究，只有进行精密对比才能够得出正确的焊接图纸，对焊接的具体操作提供指导，在理论上给出坚强的支撑。在优化设计方面需要把具体的技术方案进行贯彻，在技术创新的的基础之上，把各项的技术要求真正落实到具体的技术操作中。
　　结束语
　　对汽车底盘（后桥和副车架）进行了焊接热过程的测量试验，得到了沿着焊缝方向和垂直于焊缝方向各测试点的焊接热过程曲线；采用小孔法对悬架臂和衬套管进行了焊接残余应力的测试，得到了个测试点的纵向残余应力σx和横向残余应力σy，为校核焊接温度场、应力场的模拟计算结果的正确性奠定了基础。
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　　（作者单位：精诚工科汽车系统有限公司底盘研究院）
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