汽車后橋焊縫的快速設(shè)計(jì)方法

周方明，陳麗麗，王華杰，趙永昌

(1.江蘇科技大學(xué)江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.江蘇恩納斯重工機(jī)械有限公司，江蘇蘇州215434)

(3.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201)

目前全球化市場競爭激烈，客戶需求呈現(xiàn)出多變、多樣性和個(gè)性化，并且要求交貨期短［1－2］.因此“質(zhì)量、時(shí)間、效益”已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，快速設(shè)計(jì)是企業(yè)實(shí)施快速響應(yīng)策略提高市場競爭力的重要內(nèi)容［3－4］.根據(jù)德國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(VDI)對(duì)企業(yè)的調(diào)查，雖然產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)成本通常僅占產(chǎn)品生產(chǎn)成本的6%，但對(duì)產(chǎn)品總成本的影響卻在60%以上［5］.因此許多企業(yè)在進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，約20%的設(shè)計(jì)屬于全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大部分的零部件設(shè)計(jì)可由已有的系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果中衍變而來［6］.

汽車后橋是汽車上重要的零部件，為焊接構(gòu)件，主要采用機(jī)器人MAG焊和電阻點(diǎn)焊.在實(shí)際生產(chǎn)中，焊后的汽車后橋既存在一定的焊接殘余應(yīng)力，又產(chǎn)生一定的焊接殘余變形，因此，焊接完成后需要進(jìn)行路譜試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)等，這樣既消耗材料，同時(shí)延長了設(shè)計(jì)周期［7－8］.隨著信息技術(shù)的發(fā)展，CAE逐漸在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，常規(guī)的CAE操作步驟復(fù)雜，需要的參數(shù)比較多，設(shè)計(jì)規(guī)范的建立需要一定的試驗(yàn).而快速CAE設(shè)計(jì)借助某一個(gè)案，簡化操作流程.文獻(xiàn)［9］對(duì)汽車儀表板橫梁的焊縫設(shè)計(jì)采用了快速設(shè)計(jì)的方法，并取得了一定的成果.文中考慮到后橋設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，應(yīng)用快速設(shè)計(jì)法對(duì)汽車后橋的焊接溫度場、殘余應(yīng)力場以及焊接變形進(jìn)行預(yù)測，并進(jìn)行安全評(píng)估.

1 設(shè)計(jì)流程

某型號(hào)汽車后橋(圖1)的焊縫設(shè)計(jì)采用常規(guī)CAE，設(shè)計(jì)流程如圖2.文中的設(shè)計(jì)是在此基礎(chǔ)上，對(duì)其產(chǎn)品的改進(jìn)型(圖3)進(jìn)行焊縫的快速設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖4.在設(shè)計(jì)時(shí)，省去了調(diào)研及試驗(yàn)的大部分內(nèi)容;在計(jì)算過程中焊縫的設(shè)計(jì)采用快速布道的方法，即對(duì)比某型號(hào)汽車后橋焊縫設(shè)計(jì)案例，根據(jù)焊縫所處的位置，直接調(diào)用焊縫模型或者在此基礎(chǔ)上修改，加載時(shí)焊接熱源和靜載的處理可參照某型號(hào)的處理方式.

圖1 某型號(hào)汽車后橋Fig.1 Particular model of car's rear axle

圖2 常規(guī)CAE設(shè)計(jì)流程Fig.2 Weld design process of conventional CAE

圖3 某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋Fig.3 Improved model of car's rear axle

圖4 快速CAE的設(shè)計(jì)流程Fig.4 Weld design process of rapid CAE

2 設(shè)計(jì)規(guī)范

2.1 焊縫長度的定義

假設(shè)在實(shí)際焊接時(shí)焊縫的長度短于可布長度10 mm以上，這里實(shí)際布道長度等于數(shù)模計(jì)算長度+10mm，即增加起弧端5mm、熄弧端5mm，以彌補(bǔ)起弧和熄弧可能存在的未熔合、無余高等現(xiàn)象.

2.2 某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋的焊縫承載評(píng)價(jià)方法

焊縫承載評(píng)價(jià)方法是汽車后橋焊縫設(shè)計(jì)技術(shù)研究最為重要的組成部分，是焊縫安全校核的前提.后橋上的焊縫較多且分布密集，現(xiàn)根據(jù)后橋的結(jié)構(gòu)功能將汽車后橋焊縫分為3類:重要焊縫、一般焊縫、聯(lián)系焊縫，然后確定這3類焊縫的安全系數(shù)N的范圍，見表1.

表1 焊縫安全系數(shù)范圍Table 1 Range of weld safety coefficient

2.3 某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋的變形評(píng)價(jià)方法

后橋在焊接時(shí)，由于局部高溫加熱而造成后橋上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力;后橋完成焊接后，焊縫金屬開始冷卻，當(dāng)它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮，焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮，這將引起整個(gè)后橋的變形.較大的焊接變形量必將增加裝配的難度和生產(chǎn)成本，并且會(huì)對(duì)后橋的使用性能造成巨大的危害，因此需要對(duì)其焊接變形進(jìn)行預(yù)測和控制.

為了對(duì)后橋進(jìn)行焊接變形的預(yù)測和控制，建立焊縫評(píng)價(jià)體系，提出焊接變形判據(jù)為:max(dx，dy，dz)≤2 mm，即當(dāng)各個(gè)方向的焊接變形量的最大值大于2mm時(shí)，說明構(gòu)件的焊接變形量較大，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，反之則不需要進(jìn)行優(yōu)化.

3 有限元模型

某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋主要是由襯套管、懸架臂、軸支架、彈簧支架、減震器、拉環(huán)等零件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜.對(duì)于焊接熱過程的計(jì)算，文中選擇間接耦合的方法，即先進(jìn)行熱分析，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.根據(jù)實(shí)際情況，選取8節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID70用HYPERMESH軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分.根據(jù)某型號(hào)后橋的焊縫布道情況，對(duì)某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋上的焊縫進(jìn)行直接布道和CAE分析，焊縫一次性布道率高達(dá)75%，減輕了工作量;某型號(hào)汽車后橋焊縫的設(shè)計(jì)從前期的調(diào)研、現(xiàn)場的試驗(yàn)到最后的有限元模型的建立及計(jì)算、優(yōu)化方案等前后經(jīng)歷約一年時(shí)間，某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋焊縫的快速設(shè)計(jì)在三個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成，縮短了設(shè)計(jì)周期.

4 仿真模擬

在進(jìn)行某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋焊接時(shí)，需要在4個(gè)工位上進(jìn)行焊接，其中第1工位為抓舉焊(焊接時(shí)，只約束軸支架，懸架臂和襯套管的焊接處于自由狀態(tài)).工位不同，約束位置不同，因此在進(jìn)行焊接仿真模擬時(shí)采用分工位計(jì)算的方法.工位的劃分情況:1工位有襯套管、懸架臂、軸支架、彈簧支架、圓管、拉環(huán);2工位有橫梁、支撐板;3工位有襯套管、懸架臂、軸支架、橫梁、支撐板;4工位有襯套管、懸架臂、軸支架、橫梁、支撐板、彈簧支架、減震器;后橋焊縫位置及焊接順序如圖5.對(duì)某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋進(jìn)行溫度場、應(yīng)力場、耦合場的模擬計(jì)算，并進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果如表2，3.

圖5 某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋焊縫的位置及焊接順序Fig.5 Weld position and welding sequence of an improved car's rear axle

表2 各工位焊縫的安全系數(shù)Table 2 Minimum safety coefficient of each weld of rear

表3 各工位的最大變形量Table 3 Maximum deformation of each weld of rear

5 結(jié)論

1)建立了汽車后橋的有限元模型，并對(duì)后橋進(jìn)行了熱彈塑性有限元分析，且提出了后橋焊縫承載評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和變形控制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

2)通過對(duì)某型號(hào)改進(jìn)型汽車后橋焊縫的快速布道和模擬結(jié)果分析，證明了快速布道方法的可行性，為后橋焊縫快速設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

3)對(duì)汽車后橋焊縫進(jìn)行了快速設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全的要求，設(shè)計(jì)過程節(jié)省了約75%的工作量.不僅提高了焊縫設(shè)計(jì)效率，降低了焊縫設(shè)計(jì)成本，而且也對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐起到了一定的指導(dǎo)作用.

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