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焊接匹配角度对副车架耐久性能影响分析
发布日期:2016-03-02 20:27:38 浏览次数: 字体大小:
副车架为悬架载荷主要承受件,其焊接工艺和焊接质量对副车架耐久性能至关重要。本文分析了某车型副车架在疲劳台架实验阶段出现的早期开裂失效问题,建立了副车架有限元模型;根据裂纹出现区域特点,使用Ncode Design life进行了焊接匹配角度敏感性分析和焊接匹配角度偏移组合影响分析;根据分析结果制定了焊接匹配角度的规范值,并重新进行了副车架疲劳实验。实验表明,匹配角度满足要求的副车架,其疲劳寿命有大幅提高,满足设计要求。
副车架是支承前后车桥、悬挂的支架,使车桥、悬挂通过它再与车身相连,习惯上称为“副车架”。副车架可以增加汽车前舱结构刚度,提高碰撞和动力学等方面的整车性能。副车架传递和分解悬架,转向机以及动力总成产生的载荷,其承载比较复杂。而车辆舒适、安全和轻量化对副车架在强度、振动、疲劳和质量方面提出了很高的要求[1-3]。
副车架的形式有多种,主要有钢板冲压焊接、铸铝、液压成型管等结构。其中钢板冲压焊接副车架由于材料价格低廉、结构强度高、刚度好、焊接和连接固定功能容易实现,在乘用车底盘结构件上应用较为广泛[4]。冲片尺寸、冲片之间的匹配以及焊接工艺参数对副车架性能有较大的影响,一些文献也分析了焊接性能对汽车零部件疲劳寿命的影响[5]。
某车型副车架在台架疲劳实验阶段,副车架和车身连接套筒处出现早期开裂失效,未实现设计寿命。本文首先建立了副车架有限元模型,根据实际样本中开裂点处焊接匹配角度有较大差异的情况,使用Ncode Design life分析了不同焊接角度的对耐久性能的影响,并根据CAE结果制定了焊接匹配角度的角度范围。对整改之后满足焊接匹配角度要求的副车架重新做台架试验。
2 概况说明
某车型采用全框副车架,主要材料为HR420。使用试制零件做台架疲劳实验时,副车架与车身连接的套筒处出现裂纹,见图1。
图 1 某车型副车架台架实验中出现裂纹失效
表 1某副车架台架实验结果汇总
实验样本
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完成寿命
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裂纹
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1
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58.2%
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发现裂纹
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2
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220%
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无裂纹
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3
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193%
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无裂纹
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4
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65.7%
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发现裂纹
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图 2副车架套筒焊接局部剖切图对比
(左侧为2号样本,右侧为1号样本)
3.1 有限元模型建立
副车架网格划分采用Hypermesh软件,副车架本体网格单元采用平面线性壳单元,网格划分在副车架冲片的中心面,冲片厚度为设计厚度名义值,网格单元的质量以该名义厚度为基准计算。网格以四边形为主,三角形为辅,四边形网格占总体网格数的90%以上。副车架总体有限元网格边长为5mm左右,低应力区域,网格大小可以稍大一些,这样可以保证计算结果的精确性,同时控制计算量。副车架壳单元方向基本一致。焊缝网格采用壳单元中的四边形,焊缝单元垂直于焊接基材单元,焊缝单元厚度为焊接基材单元厚度的1.5倍。焊缝单元边缘与焊缝方向一致,焊缝不穿过焊缝单元斜角。对焊缝的起弧和收弧区域的建模要特别关注,以免减低计算精度。副车架上有90°直角弯角的区域,用3个单元模拟该弯角。
整个副车架有限元模型见图3所示。由于出现裂纹位置为副车架衬套套筒,所以使用Abaqus模拟了衬套压入后对套筒的径向压力。副车架衬套本身用零长度的弹簧单元模拟,弹簧单元自由度数与实际衬套自由度一致。转向机使用刚性梁代替。
图 3副车架有限元模型
3.2 焊接匹配角度敏感性分析
该副车架衬套套筒处结构如图4,匹配角度名义值为90°,套筒和副车架焊接处共有4处。令角度向内偏移为负,向外偏移为正,进行了焊接角度偏移仿真分析。
由于该处匹配角度随焊接工艺波动,因此选取实验样本中典型的匹配角度偏移值为分析对象。分别分析焊接匹配角度偏移11°,14°,21°情况下副车架的疲劳寿命。11°的偏移示意图见图5。其他两种偏移角度类似。
在纵向力载荷下,计算偏移负11°,14°,21°情况下副车架的疲劳寿命。其计算汇总见表2。
表2 焊接匹配角度敏感性分析汇总
偏移11°
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偏移14°
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偏移21°
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左衬套区域寿命下降百分百
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-31.3%
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-34.4%
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-47.9%
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右衬套区域寿命下降百分百
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-27.3%
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-32.8%
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-45.3%
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3.3 焊接匹配角度偏移组合分析
根据剖切的副车架台架实验样本,发现焊接角度偏移一般为左上向内偏移,以及右下向外偏移的组合,见图6。基于此,分析了焊接角度左上向内偏移及右下向外偏移组合情况下的副车架套筒疲劳耐久寿命。
图6 副车架衬套套筒焊接匹配角度组合偏移示意图
由以上焊接匹配角度偏移组合分析可得到,同样的偏移角度,但是组合偏移相对于单个位置的偏移,会加大副车架的疲劳耐久寿命成加速下降趋势。
组合偏移11°
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左衬套区域上片寿命
下降百分百
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-31.3%
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左衬套区域下片寿命
下降百分百 |
-33.9%
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右衬套区域上片寿命
下降百分百 |
-32.2%
|
右衬套区域下片寿命
下降百分百 |
-30.2%
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基于以上分析,可以得到焊接匹配角度对副车架套筒疲劳耐久寿命有较大的影响的结论。根据CAE 分析结果,以及副车架冲压焊接生产工艺能力,制定副车架衬套焊接处匹配角度的偏移值为小于5°。
4台架试验
根据上文给定的焊接匹配角度偏移值规范,改进了副车架冲压焊接工艺,以满足该标准。整改之后的副车架衬套焊接区域剖面图如图7。通过改进冲压焊接工艺,副车架该处焊接匹配角度满足小于5°的要求。
图 7整改之后的副车架套筒区域剖切图
重新进行了副车架的台架实验。副车架台架实验台架搭建如图8。经过2.2倍寿命的实验,没有裂纹出现。继续做实验到4倍寿命左右,才出现类似最初实验长度的裂纹。同样的裂纹长度,其寿命相对于焊接匹配角度整改前提高了2倍左右。
图 8副车架实验台架
5 结论
本文分析了某车型副车架在疲劳台架实验中出现的早期开裂失效问题,建立了副车架有限元模型;根据裂纹出现区域特点,使用Abaqus模拟副车架衬套压入力对衬套耐久的影响;基于失效零件焊接匹配角度偏大的情况,使用Ncode Design life进行了焊接匹配角度敏感性分析和焊接匹配角度偏移组合分析,得出焊接匹配角度对该区域疲劳寿命有重大影响的结论;制定了焊接匹配角度的规范值,并重新进行了副车架疲劳实验。实验表明,匹配角度满足要求的副车架,其疲劳寿命有大幅提高,满足设计要求。本文对解决底盘结构件焊接区域的台架实验失效有普遍指导意义。
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