周方明，陳麗麗，王華杰，趙永昌

(1.江蘇科技大學江蘇省先進焊接技術重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.江蘇恩納斯重工機械有限公司，江蘇蘇州215434)

(3.泛亞汽車技術中心有限公司，上海201201)

目前全球化市場競爭激烈，客戶需求呈現(xiàn)出多變、多樣性和個性化，并且要求交貨期短［1－2］.因此“質量、時間、效益”已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設計的準則，快速設計是企業(yè)實施快速響應策略提高市場競爭力的重要內(nèi)容［3－4］.根據(jù)德國機械工程師協(xié)會(VDI)對企業(yè)的調查，雖然產(chǎn)品的設計開發(fā)成本通常僅占產(chǎn)品生產(chǎn)成本的6%，但對產(chǎn)品總成本的影響卻在60%以上［5］.因此許多企業(yè)在進行新產(chǎn)品設計時，約20%的設計屬于全新結構設計，大部分的零部件設計可由已有的系列產(chǎn)品設計結果中衍變而來［6］.

汽車后橋是汽車上重要的零部件，為焊接構件，主要采用機器人MAG焊和電阻點焊.在實際生產(chǎn)中，焊后的汽車后橋既存在一定的焊接殘余應力，又產(chǎn)生一定的焊接殘余變形，因此，焊接完成后需要進行路譜試驗、臺架試驗等，這樣既消耗材料，同時延長了設計周期［7－8］.隨著信息技術的發(fā)展，CAE逐漸在生產(chǎn)中得到應用，常規(guī)的CAE操作步驟復雜，需要的參數(shù)比較多，設計規(guī)范的建立需要一定的試驗.而快速CAE設計借助某一個案，簡化操作流程.文獻［9］對汽車儀表板橫梁的焊縫設計采用了快速設計的方法，并取得了一定的成果.文中考慮到后橋設計的特點，應用快速設計法對汽車后橋的焊接溫度場、殘余應力場以及焊接變形進行預測，并進行安全評估.

1 設計流程

某型號汽車后橋(圖1)的焊縫設計采用常規(guī)CAE，設計流程如圖2.文中的設計是在此基礎上，對其產(chǎn)品的改進型(圖3)進行焊縫的快速設計，設計流程如圖4.在設計時，省去了調研及試驗的大部分內(nèi)容;在計算過程中焊縫的設計采用快速布道的方法，即對比某型號汽車后橋焊縫設計案例，根據(jù)焊縫所處的位置，直接調用焊縫模型或者在此基礎上修改，加載時焊接熱源和靜載的處理可參照某型號的處理方式.

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

圖2 常規(guī)CAE設計流程Fig.2 Weld design process of conventional CAE

圖3 某型號改進型汽車后橋Fig.3 Improved model of car's rear axle

圖4 快速CAE的設計流程Fig.4 Weld design process of rapid CAE

2 設計規(guī)范

2.1 焊縫長度的定義

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

2.2 某型號改進型汽車后橋的焊縫承載評價方法

焊縫承載評價方法是汽車后橋焊縫設計技術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)后橋的結構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 某型號改進型汽車后橋的變形評價方法

后橋在焊接時，由于局部高溫加熱而造成后橋上溫度分布不均勻，最終導致在結構內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應力;后橋完成焊接后，焊縫金屬開始冷卻，當它由液態(tài)轉為固態(tài)時，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，并且會對后橋的使用性能造成巨大的危害，因此需要對其焊接變形進行預測和控制.

為了對后橋進行焊接變形的預測和控制，建立焊縫評價體系，提出焊接變形判據(jù)為:max(dx，dy，dz)≤2 mm，即當各個方向的焊接變形量的最大值大于2mm時，說明構件的焊接變形量較大，需要對其進行優(yōu)化，反之則不需要進行優(yōu)化.

3 有限元模型

某型號改進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)等零件構成，結構非常復雜.對于焊接熱過程的計算，文中選擇間接耦合的方法，即先進行熱分析，再進行結構分析.根據(jù)實際情況，選取8節(jié)點六面體單元SOLID70用HYPERMESH軟件進行網(wǎng)格劃分.根據(jù)某型號后橋的焊縫布道情況，對某型號改進型汽車后橋上的焊縫進行直接布道和CAE分析，焊縫一次性布道率高達75%，減輕了工作量;某型號汽車后橋焊縫的設計從前期的調研、現(xiàn)場的試驗到最后的有限元模型的建立及計算、優(yōu)化方案等前后經(jīng)歷約一年時間，某型號改進型汽車后橋焊縫的快速設計在三個月的時間內(nèi)完成，縮短了設計周期.

4 仿真模擬

在進行某型號改進型汽車后橋焊接時，需要在4個工位上進行焊接，其中第1工位為抓舉焊(焊接時，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，因此在進行焊接仿真模擬時采用分工位計算的方法.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.對某型號改進型汽車后橋進行溫度場、應力場、耦合場的模擬計算，并進行焊縫設計的評價，其評價結果如表2，3.

圖5 某型號改進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 結論

1)建立了汽車后橋的有限元模型，并對后橋進行了熱彈塑性有限元分析，且提出了后橋焊縫承載評價標準和變形控制評價標準.

2)通過對某型號改進型汽車后橋焊縫的快速布道和模擬結果分析，證明了快速布道方法的可行性，為后橋焊縫快速設計奠定了基礎.

3)對汽車后橋焊縫進行了快速設計，其設計結果滿足結構強度安全的要求，設計過程節(jié)省了約75%的工作量.不僅提高了焊縫設計效率，降低了焊縫設計成本，而且也對生產(chǎn)實踐起到了一定的指導作用.

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