汽车制造中的焊接变形预测_魏良武

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汽车制造中的焊接变形预测
在汽车制造的“2mm 工程” 中, 焊接是其中极为重要的一环 。焊接时局部不均匀的加热, 随后的快速冷却以及外部约束导致了产生焊接残余应力以及变形。 20 世纪 70 年代初, 上田幸雄等以有限元法为基础, 提出了考虑材料性能与温度有关的焊接热弹塑性法[ 1] 。但由于热弹塑性法需要大量计算时间, 很难用来分析大型复杂结构焊接变形 。不少学者对固有应变法也进行了很多的研究并用于分析大型结构的焊接变形[ 2]。我国汽车工业的发展, 迫切需要由以经验设计为主、单一车型的设计转变为能满足多品种 、高质量 、短周期和低成本要求的新设计方法。本文通过传动零部件、车身 、车架 、车顶焊接变形预测中的实例来说明不同焊接变形预测方法的特点及在汽车制造中的应用前景。
1 研究方法
1 .1 三维热弹塑性分析
三维焊接热弹塑性分析过程是先进行三维非线性焊接温度场分析, 将计算得到的温度场数据结果输入给焊接热弹塑性有限元分析程序, 进行三维焊接变形及应力分析 。目前分析中一般都考虑了材料的热物理性能和机械性能随温度的变化关系 、熔化潜热和移动热源等。模拟焊接过程中的熔敷金属填充一般采用改变填充单元的材料特性或者“生死单元”来实现 。研究中常见的热源模型有Gauss 热源 、双椭球形热源等 。无法用以上模型描述时, 一般假定热量均匀施加在焊缝单元,作内热源处理 。
热弹塑性应力有限元分析时, 假设材料服从米赛斯屈服准则, 塑性区内材料的纤维服从增量法则并符合应变硬化规律 。与温度有关的机械性能、应力应变在微小的时间增量内线性变化 。三维热弹塑性分析计算工作量很大, 可以分析焊接过程的瞬态应力 、变形和最终的残余应力 、变形,是详细了解焊接变形和应力规律的有力工具 。