张小兵 张国驰

【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。本文在科学计算的基础之上，对汽车底盘结构件焊接设计进行了系统的分析，汽车底盘的零部件设计比较复杂，需要进行专门的研究才能够对这些部件有一个全面的了解，进而对底盘结构件焊接的设计得出正确的设计方案。

【关键词】汽车底盘；焊缝设计

引言

随着我国经济和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。此文就是基于汽车工业蓬勃发展的背景下对汽车底盘（后桥和副车架）焊缝设计技术进行的研究。

1、底盘结构件温度场应力场计算

采用应力场计算的方式对底盘设计结构的温度进行检测，在具體的实验模拟过程中需要建设基本的场地，将具体的操作贯彻下去，只有进行整体的测试，才能对底盘结构温度进行科学的测量。当在测试的过程中得出温度合适的结论之后，需要对单元赋予材料属性、施加约束，把以“RTH”结尾的温度场文件加载到模型中来计算应力场。各测试点残余应力模拟值与实测值之比较，虽然各个测试点的值有一定误差，但其趋势保持一致，说明了计算结果的正确性。

2、焊接应力场有限元分析理论

目前，常用的预测焊接残余应力和应变的方法主要有热弹塑性法和固有应变法。热弹塑性法通过跟踪每一步的热应变行为来计算热应力和应变，采用这种方法可以查看每一时刻焊接应力和应变大小及状态，但此方法对计算机的性能要求较高，对于一些大型的结构件的焊接应力和应变的预测，采用此方法还比较困难，但随着大型有限元软件的开发和计算机性能的不断提高，此方法还是被很多焊接研究者采用[59，60]。而固有应变法主要用于大型结构件的焊接变形，如果采用此方法预测焊接残余应力，则必须了解固有应变详细的分布形态，这增加了计算的难度，并且固有应变法不能体现焊接顺序和焊接方向的影响，而且不能查看每个时刻的焊接残余应力和应变，因此固有应变法用来预测超大型结构的焊接变形。焊接应力应变场的计算是一个高度非线性的热-力耦合过程，例如材料非线性、几何非线性等，因此计算过程相当复杂。

2.2.1、屈服准则

对于单向受拉试样，可以将轴向应力与材料的屈服应力进行比较来评价试样是否发生塑性变形。但是在一般情况下构件的受力状态是比较复杂的，因此人们建立了判断是否发生屈服的评价方法-屈服准则。屈服准则是一个与单轴测试的与屈服应力相关的应力状态的标量。因此，知道了应力状态和屈服准则就能确定是否发生了塑性变形。通过屈服准则得到的应力值一般称为等效应力，一个常用的屈服准则为米塞斯（VonMises）屈服准则，当等效应力值超过的材料的屈服应力值时表示将发生塑性变形。

2.2.2、流动准则

流动准则描述了材料发生屈服时，塑性应变的方向，也就是说，流动准则描述的是单个塑性应变分量和屈服应力的关系。一般来说，流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的基础上推导出来的，塑性应变增量向量的方向和屈服面的法向一致。

2.2、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，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，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。

2.3、焊接应力场计算结果及分析

2.3.1、焊接应力场的分布

悬架臂和衬套管的焊接应力场云图，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。如图1所示为y方向（垂直于焊缝方向）上的焊接应力场分布云图，从图中可以看出，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。

2.4、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，如图2所示。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、材料及焊接方法等方法优化焊接变形。

3、结论

我国的企业在设计汽车底盘时还存在依赖于国外技术的问题，很多的核心技术都是引进外国的先进技术，在技术的创新方面缺乏动力和技术支撑。因此，在技术的研发和改进方面需要不断改进，促进企业的全面进步，在企业核心技术的研发方面不断投入巨大的精力。对于比较成熟的汽车研发方面的技术和设备需要进行合理的改善。只有全面推进我国汽车技术的创新和研发，才能在技术上不断进步。在技术改进方面，只有对技术进行全面革新，才能够将我国的技术创新推向一个新的起点。

参考文献：

[1] 黄瑜.汽车底盘腐蚀与防腐调查及排气管防腐研究[D].武汉理工大学，2015.

[2] 关旭波.分析汽车底盘结构件焊缝设计[J].科技资讯，2014（03）：160+162.

[3] 刘拥军，冯向敏，周凯，王华杰，周方明.汽车底盘结构件焊缝设计方法探讨[J].热加工工艺，2012，41（21）：197-199+202.