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1、 上海交通大学硕士学位论文别克轿车副车架焊接变形有限元分析姓名：陈卫新申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王敏;陆皓2001.12.1 上海交通研究生学位论文摘要别克轿车副车架焊接变形有限元分析摘要博接变形的预测和控制一直是焊接制造中急于解决的难题，国内外至今尚无一个成熟的方法。生产中的焊接变形过去大多凭经验，其规律往往难以掌握和控制。近年来国内外采用热弹塑性有限元法来分析焊接变形取得了一定的成功。但是这种方法需要大容量的计算机和很长的运算时间，对于较复杂的三维焊接结构，即使可能也是很不经济的。预测焊接变形的残余塑变有限元法优点是可以通过较少的计算解决大型复杂结构的焊接变形问题。副车
2、架的焊接变形对汽车底盘的制造精度和质量有重要的影响别克轿车副车架焊接总成时，由连接前梁、后梁、左梁和右梁的条焊缝焊接加工完成。论文采用残余塑变有限元法首次较全面对副车架分总成及总成焊接变形进行分析。别克轿车副车架焊接变形有限元分析给出有焊接变形研究和软件的基础上，以及在大型通用结构有限元软件的平台上进行二次开发，研制出适合于轿车结构焊接变形理论预测的方法和软件系统。饵接变形的理论预测结果和实验以及生产中的实测数据进行 塑茎疭 甌琣畐 產 閏甌 痵甌 畁 疭瑃 疭甌瓸甌 ， 第一章背景和目的当今计算机的性能已经大大提高和普及，计算机技术以超乎常人想象的速度，给工程、科轿车焊接的地盘件主要包括副车
3、架和下摇臂等。其中副车架是轿车底盘前桥的一个重要组成部分，主要用作发动机，变速箱的支承，对刚度和制造精度具有较高的要求。副车架为上海重型汽车厂的主要产品，既是桑塔纳轿车也是上海通用别克轿车的配套产品。副车架形状复杂其冲焊工艺受到压机，材料，焊装工艺，焊接顺序，工艺参数等多因素的影响。目前在生产过程中出现的主要问题是由于焊接变形造成尺寸质量的不稳定，有时造成焊接后尺寸超差等情况。因此一些关键控制尺寸明显低于国外的先进水平。而且一旦超差则难以矫正，造成产品报废，增加了成本，降低了经济效益因此如何保证底盘件焊接制造过程中的精度，就成为保证整个产品质量的一个关键。汽车底盘件高精度焊接工程化预测系统研究
4、对推进中国先进制造技术发展具有重要意义。焊接变形的预测和控制一直是焊接工程中的一个难题，国内外至今尚无一个成熟的方法。焊接变形研究历史和现状目前焊接变形的预测大致有下列几种方法：建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式基于一维解析的残余塑变法虺平馕龇热弹塑性有限元方法残余塑变有限元方法逃杏浞 际中得到的，而且只是一些最简单的情况。它们存在相当的局限性，实际参考时应给予注意。前苏联的甇奥凯尔布朗姆用图解的形式分析了一维条件下焊接过程中的应力应变过程，对了解焊接应力与变形产生的原理和本质有重要的贡献。基于该理论提出了以残余塑变来计算焊接变形的方法。这一方法在瓵库兹米诺夫的著作里得到进一步的发展并形成
5、一个较完整的体系【。然而由于该方法是建立在平截面假定及其它一系列简化假定的基础上，要定量分析一些较复杂构件的焊接应力与变形是十分困难的。焊接变形可分为纵向变形和横向变形，设它们分别由纵向和横向残余塑变引起。图为一梁的单位纵向变形图。如果已知单位长度上纵向残余塑变的总和殖谱菹蚴账醯惶寤暇疛粲 圈表面堆焊时的横向变形杏嗨鼙溆邢拊7椒固有应变法“固有应变有限元分析方法甿板壳弹性大变形理论、焊接温度场的模拟；划分网格；加载温度场、载荷；弹塑性分析 了纵向收缩力拇笮杂谌范暮附酉吣芰浚琖认为，收缩力牒附永嘈堆焊、固有应变法认为，焊接变形和焊接残余应力是由固有应变引起的，固有应变可以理解为由之间的关系可以用
6、式幢硎尽。图善和的关系曲线 堂茎望竺茎生兰些笙苎笙二童堕笙痟图残余塑变施加区域以上是针对三维实体单元的情况。固有应变有限元方法同样可适用于板壳单元的焊接变形设单位长度上纵有关。对于纵向残余塑变，刚性较大的钢焊接结构，建议系数 一系列研究和试验工作，得到孝与墓叵登撸渲衕为板厚。本课题研究内容本课题内容在已有焊接变形研究和软件的基础上，以及在大型通用结构有限元软件的构架和平台上进行二次开发，研制出适合于轿车结构焊接变形理论预测的方法和软件系统对副车架焊接总成时的变形规律及其影响因素进行研究。其中包括焊前装配质量的影响；焊接方法和规范参数的影响；焊接顺序的影响；装配焊接夹其的影响等。焊接变形的理论预
7、测将和实验以及生产中的实测数据进行比较，加以修正和完善。在此基础上提出对焊接顺序和参数、分总成的装配质量、预变形量以及对夹具设计的控制要求等，从而保证副车架的焊接精度和质量。副车架总成如图所示。实测数据的比较和分析讨论。 研究生学位论文第二章焊接变形基本规律和计算方法比较第二章焊接变形基本规律和计算方法比较焊接变形基本规律焊接热循环时的焊缝收缩引起了焊接变形。为了获得产品需要的足够的制造精度，必须考虑整个焊接装配过程中的焊接变形。焊接变形可以分为：角变形、横向收缩和纵向收缩。对于简单的焊接件，既可以通过实验也可以利用热弹塑性有限元分析来确定。但是对于复杂焊接结构的焊接变形，焊接构件变形的程度与
8、热输入和板厚有关。焊缝附近的纵向收缩几乎是均匀的。对于给定的焊缝，如果知道了固有变形和纵向收缩力，就可以利用弹性计算代替三维热弹塑性分析求出焊接变形。现在，通过系列热弹塑性有限元分析，我们可以先求出不同焊接线能量下的固有应变，根据前节的叙述从而得到纵向塑性应变账趿、横向塑性应变与焊接线能量之间的规律关系。这样，我们就可以根据规律关系，由焊接线能量直接求出固有应变。这样对于复杂焊接结构，就可以很方便地利用固有应变法，只要进行弹性计算求出焊接变形。而不必利用计算量很大的热弹塑性有限元分析。为了验证残余塑变法的计算精度，文中采用热弹塑性有限元、残余塑变有限元法和实验法刚性变化对残余塑变的影响从而确定
9、焊接过程中的残余塑变的变化趋势。为了尽量准确的预测这种变化趋势，我们也将焊接到长度时的变形结果进行了比较。瘟撼龋；单位长度热输入：；网格划分情况：长度方向等分；宽度方向等分；高度方向等分；材料的性能参数：弹性模量：泊松比：；：；比热密度热传导系数：；痚； 研究生学位论文第二章焊接变形基本规律和计算方法比较上分别按照线性和非线性的规律变化。下面首先考虑焊接整个结构以后的变形。考虑了以下两种情况：旯在焊缝方向上按猒线性分布计算结果如下表：五按反比例函数变化：五下面是焊接一半时的变形结果，其处理方法是只在一半的焊缝单元上加上残余塑变。利用残余塑变有关公式进行计算，成的曲线。 ”图焊接全长时长度方向的
10、焊接变形图焊接一半时长度方向的焊接变形瘛 研究生学位论文第二章焊接变形基本规律和计算方法比较塑性的计算结果。因此我们可以得出这样的结果即：在焊接的 初始阶残余塑变下降较快斩仍龃罂，而后面部分下降缓慢几种计算方法比较土旱慕峁钩叽纾焊窗褰孛撩祝姘褰孛撩祝毫米。材料为 兰三兰生堡銮兰兰查塑堡塑盐兰查鎏垡墼痵。毫米。焊接梁纵向变形的解析计算公式为形睨疛式中，矾怀壬献菹虿杏嗨鼙鋞的总和：曲率；户弯曲挠度；旖孛婀咝跃兀粃暇中心到截面中心距离。；矾：。 研究生学位论文第二章焊接变形基本规律和计算方法比较暇。向残余塑变：荆現。将上述残余塑变作为初试应变施加后，进行一次弹性有限元计算同样可求得整个结构的焊接变形
11、。板单元残余塑变法计算结果得土汉负蟮耐淝佣然“。与三维实体单元残余塑变法相比，板单元残余塑变法计算结果相当一致，但网格划分要简化得多。因此对于壁厚不大的梁结构，采用板壳单元残余塑变法计算焊接变形有很大的优越性。酗为梁的焊后变形图。数据都比较接近，因而是可靠的。 研究生学位论文第二章焊接变形基本规律和计算方法比较通过比较，可以对各种方法的适用性讨论如下：对于规则等截门的梁型结构，用解析法可以直接求得其焊接变形。 兰三兰型兰墨坌璺些塑垫壅墅坌塑第三章副车架分总成焊接变形分析图前梁网格划分主要参数如下：各条焊缝的残余塑性应变计算 上海交通大学研究生学位论文第三章副车架分总成焊接变形分析各条焊缝的残余塑变计算结果 兰三主型兰鲞坌璺壁生垫壅墅坌堑图前梁焊缝位置条件下运行。图、图 上海交通大学研究生学位论文第三章副车架分总成焊接变形分析规律。其变形特
