汽車控制臂焊接應(yīng)力變形的分析和控制

李卓明 熊璐

摘 要：本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)某款汽車控制臂的焊接應(yīng)力變形進(jìn)行分析研究，建立焊接應(yīng)變和焊接尺寸之間的關(guān)系，并通過優(yōu)化焊接順序和焊接方向?qū)ふ铱刂茟?yīng)力變形量的最優(yōu)解。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)焊縫的焊接順序布置在短焊縫之間對(duì)焊接后變形量的影響相對(duì)最小，且當(dāng)兩側(cè)焊接方向異向時(shí)效果最佳。

關(guān)鍵詞：控制臂；有限元分析；焊接應(yīng)力變形

汽車控制臂是懸架系統(tǒng)的重要焊接結(jié)構(gòu)部件之一，對(duì)汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有很大的影響。焊接作為其主要的加工工藝，在保證產(chǎn)品尺寸精度、強(qiáng)度要求的過程中扮演著舉足輕重的角色。而焊接變形又是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素。因此，對(duì)汽車控制臂在焊接過程中所產(chǎn)生應(yīng)力變形的預(yù)測(cè)及控制的研究顯得尤為重要。

本文利用有限元軟件ANSYS模擬分析某款汽車控制臂的焊接應(yīng)力變形情況，然后通過控制臂在不同方向上的應(yīng)變值及尺寸、形位公差的定義建立焊接應(yīng)變和焊接尺寸之間的關(guān)系，最后再利用有限元法模擬焊接順序和焊接方向?qū)附映叽绲挠绊?，并通過方案對(duì)比和試驗(yàn)驗(yàn)證尋求最優(yōu)解。

1 控制臂焊接應(yīng)變分析

控制臂在產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的同時(shí)還將發(fā)生應(yīng)力變形，通過ANSYS中Contour Plot功能可以獲得橫向（Y向）及縱向（Z向）的位移云圖，見圖1。

（a）橫向位移云圖 （b）縱向位移云圖

圖1 控制臂橫向及縱向位移云圖

為進(jìn)一步了解控制臂橫向和縱向各個(gè)截面上的位移分布情況，在控制臂連接片橫向和縱向上分別設(shè)置一條路徑，然后計(jì)算各條路徑上的位移值，見圖2。

（a）橫向位移曲線圖 （b）縱向位移曲線圖

圖2 控制臂橫向及縱向位移曲線圖

從各條路徑的位移曲線上能看出，控制臂在橫向和縱向上的位移和路徑之間有著一定的規(guī)律，即控制臂左端至右端的橫向位移從最大負(fù)位移逐漸轉(zhuǎn)換到最大正位移，且右端比左端有更大的位移；控制臂上端至下端的縱向位移從最大正位移逐漸轉(zhuǎn)換到最大負(fù)位移，且上端比下端有更大的位移。

2 焊接應(yīng)變及焊接尺寸關(guān)系建立

要把焊接應(yīng)變與焊接尺寸準(zhǔn)確合理地統(tǒng)一起來，必須先了解總成焊件下線后的檢測(cè)狀態(tài)，并根據(jù)理想狀態(tài)的焊件檢測(cè)時(shí)的主定位建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系再由各個(gè)方向上的焊接應(yīng)變值通過計(jì)算后轉(zhuǎn)變?yōu)楹附映叽缰怠Ｓ捎谠摵讣闹鞫ㄎ粸榭刂票鄞筇淄蔡幍亩ㄎ恍】?，因此先將焊接理想狀態(tài)下控制臂的定位小孔的中心設(shè)定為基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，再分別根據(jù)控制臂焊接的主要尺寸要求結(jié)合其Y、Z方向上的殘余應(yīng)變值進(jìn)行求解轉(zhuǎn)換，如下：

2.1 大小套筒中心距離：562.5±0.5mm

分別在大套筒的周向上設(shè)定3個(gè)點(diǎn)；在定位孔的周向上設(shè)定2個(gè)點(diǎn)；在小套筒的周向上設(shè)定3個(gè)點(diǎn)，如圖3所示。大套筒周向3個(gè)節(jié)點(diǎn)的Y向位移平均值為-0.133mm；定位孔周向2個(gè)節(jié)點(diǎn)的Y向位移平均值為-0.113mm；小套筒周向3個(gè)節(jié)點(diǎn)的Y向位移平均值為0.171mm。按照基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換：大套筒Y向平均位移為-0.02mm；小套筒Y向平均位移為0.284mm。因此，大小套筒中心位移為0.304mm。

2.2 大套筒位置度：

分別在大套筒的周向上設(shè)定3個(gè)點(diǎn)；在定位孔的周向上設(shè)定2個(gè)點(diǎn)，如圖4所示。大套筒周向3個(gè)節(jié)點(diǎn)的Z向位移平均值為0.035mm；定位孔周向2個(gè)節(jié)點(diǎn)的Z向位移平均值為0.029mm。按照基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換：大套筒Z向平均位移為0.006mm，由于大套筒Y向平均位移為-0.02mm，因此，大套筒位置度為0.042。

圖3 控制臂周向設(shè)定點(diǎn)Y向位移值 圖4 大套筒周向設(shè)定點(diǎn)Z向位移值

2.3 大套筒端面與連接片表面距離：7.5±0.5mm

分別在大套筒的端面上設(shè)定2個(gè)點(diǎn)；在定位孔的端面上設(shè)定2個(gè)點(diǎn)，如圖5所示。大套筒端面2個(gè)節(jié)點(diǎn)的X向位移平均值為0.002mm ；定位孔端面2個(gè)節(jié)點(diǎn)的X向位移平均值為-0.001mm。按照基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換：大套筒端面與連接片表面距離為0.003mm。

2.4 小套筒端面與連接片表面距離：7.5±0.5mm

在小套筒的端面上設(shè)定2個(gè)點(diǎn)，如圖6所示。小套筒端面2個(gè)節(jié)點(diǎn)的X向位移平均值為0.003mm。按照基準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換：小套筒端面與連接片表面距離為0.004mm。

圖5 大套筒端面設(shè)定點(diǎn)X向位移值 圖6 小套筒端面設(shè)定點(diǎn)X向位移值

從實(shí)際檢測(cè)上來看，大套筒Y向?qū)嶋H檢測(cè)轉(zhuǎn)換值為-0.158mm；Z向?qū)嶋H檢測(cè)轉(zhuǎn)換值為-0.075mm；小套筒Y向?qū)嶋H檢測(cè)轉(zhuǎn)換值為0.392mm；大套筒端面與連接片表面X向距離的實(shí)際檢測(cè)轉(zhuǎn)換值為-0.18mm；小套筒端面與連接片表面X向距離的實(shí)際檢測(cè)轉(zhuǎn)換值為-0.11mm。由于上述各項(xiàng)尺寸的實(shí)際檢測(cè)轉(zhuǎn)換值和計(jì)算機(jī)模擬轉(zhuǎn)換值之間的差異均小于焊接尺寸公差的20%，還要考慮焊接熱輻射、熔池流體流動(dòng)等綜合因素的影響，因此，本文認(rèn)為該差異在合理的范圍內(nèi)。

3 焊接順序和方向優(yōu)化對(duì)焊接尺寸的影響

在本次研究中，按照變位機(jī)的工作原理和焊接就近原則主要選擇了6個(gè)不同焊接順序和方向的方案進(jìn)行模擬仿真計(jì)算?？刂票劬唧w焊縫位置如圖7所示。

圖7 控制臂焊縫位置圖

一般而言，由于焊件的長(zhǎng)焊縫所引起的焊接殘余應(yīng)力及變形最為顯著，因此根據(jù)控制臂的長(zhǎng)焊縫3L、3R處于的不同焊接順序位置，將以上6個(gè)不同的方案分為3組進(jìn)行后續(xù)的對(duì)比研究。表1為6套方案經(jīng)過焊接模擬仿真計(jì)算后的焊接尺寸數(shù)據(jù)對(duì)比表。

表1 控制臂焊接方案結(jié)果對(duì)比表

從中可以看出，此款控制臂焊接順序和方向的變化主要影響的焊接尺寸是大小套筒中心距離，對(duì)大小套筒端面與連接片表面距離以及大套筒位置度的影響可以忽略不計(jì)。此外，第一組方案得到的大小套筒中心距離的公差值最小，即長(zhǎng)焊縫的焊接順序布置在短焊縫之間對(duì)焊接后變形量的影響相對(duì)最小，且當(dāng)兩側(cè)焊接方向異向時(shí)效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了汽車控制臂焊接應(yīng)變及焊接尺寸之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并在這基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了焊接順序和方向?qū)附映叽绲挠绊?，不僅為提升焊接尺寸符合率提供了可靠的理論依據(jù)和指導(dǎo)，同時(shí)也促進(jìn)了有限元分析技術(shù)在汽車零部件焊接應(yīng)力變形的預(yù)測(cè)和優(yōu)化方面的工程應(yīng)用。

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