6系铝合金防撞梁焊接残余应力影响的耐撞性研究_吕晨轲.pdf

内燃机与配件 系铝合金防撞梁焊接残余应力影响的耐撞性研究吕晨轲（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 ）摘要：为研究焊接残余应力对铝合金防撞梁耐撞特性的影响，用 数值仿真，分析种焊接顺序下的防撞梁焊接残余应力场，并通过系铝合金的 本构与损伤模型建立防撞梁碰撞有限元模型，分析残余应力对其耐撞特性的影响。结果表明：在不同焊接方案下，沿焊缝方向的路径上焊缝端部的纵向残余应力因焊缝端部加热的情况不同而差异明显；采用退焊顺序能有效控制焊接残余应力。考虑焊接残余应力时，碰撞力峰值偏高，且吸能盒在压溃过程中材料开裂失效更严重。关键词：数值模拟；残余应力；焊接顺序；碰撞特性中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）（，）：，；，：；作者简介：吕晨轲（），男，河南郑州人，硕士，主要研究方向：焊接残余应力评估及碰撞特性分析。我国的汽车工业发展随着国家近年来发展新能源汽车政策的进一步快速推进发展，汽车工业轻量化正进一步地进入到广大人们关注的重要视线里；铝合金材料因为具有比强度高焊接性更好耐磨性等多项优点已被汽车行业届内同行公认其为今后汽车材料轻量化方面最富有前途潜力的金属材料。前车身防撞梁总成是在构成汽车主要安全的结构中及结构中属一个主要的吸蓄能量部件，在两车发生安全碰撞事故过程中其碰撞性能优劣可直接的影响其对前后车身结构、成员以及路上行人的保护效果。焊接作为车身结构件的一种重要连接方式，常用的焊接方式为熔化极惰性气体保护焊（，），可以应用于薄板焊接，。集中热源在铝合金板材焊缝移动及加热的冷却加热后，会导致铝合金板焊接后接头可能发生塑性软化，焊接区接头材料的拉伸强度系数和原母材区强度相比还将会随之有所减弱，因此就需要进一步将此效应考虑了在内，对分析研究铝合金焊接后接头结构 件 材 料 的 结 构 力 学 性 能 都 有 重 要 的 科 学 意 义；等人首先对平板加肋板焊接设计过程中可采用的多种焊接工艺方案，探究多种焊接技术方案分别对平板残余焊缝应力值和焊接变形规律的重要影响，指出焊接残余应力峰值受焊接顺序的直接影响；刘国宁等人对平板型接头进行模拟不同的焊接工艺顺序中的焊接温度场数和焊缝应力场，发现焊接顺序直接研究影响焊接的结构件的残余应力分布和残余焊接应变值的分布及其规律；赵小康等人等使用有限元软件分析模拟了 型焊接接头构件模拟不同的焊接工艺顺序下发生的温度场分布和残余应力场变化，及由于焊接变形而导致产生的焊缝残余应变，指出合理的焊接工艺顺序可降低 型接头焊缝处残余应力及焊接变形。在大多数交通事故中，在车辆发生正面碰撞时防撞梁系统是重要的承载和吸能部件之一；因此在发生高速车辆正面的碰撞事故工况状态下，前车体防撞梁系统的变形吸能情况评价和鉴定变形结构形式也有了很大研究的意义。目前研究防撞梁低速碰撞特性的有很多，许多相关国家已都相继制定颁布了汽车相关技术标准规范来有效评价路面低速侧面碰撞，但现阶段对车辆防撞梁低正面高速侧向碰撞问题的应用研究却还不够充分。然而，目前对在考虑焊接残余应力的作用前提下对铝合金防撞梁的碰撞变形特性产生的综合影响作用研究相对有限，因此本文选择采用基于某一种铝合金防撞梁结构DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.005 年第期的三维有限元分析模型，数值模拟了种铝合金不同的焊接工艺顺序情况下防撞梁应力场分布和规律，将最优铝合金焊接顺序下产生的焊接残余应力值作为研究初始条件，数值模拟了正面刚性墙的碰撞，研究防撞梁在正面观察高速碰撞压力下吸能盒结构变形率及吸能损失情况，探究有和无残余应力对其承受峰值高速碰撞力性能的重要影响，希望以此为铝制防撞梁系统的焊接结构设计理论及材料耐撞性仿真试验提供一个参考。铝合金防撞梁焊接有限元模型 焊接有限元模型建立本文研究对象为某汽车前防撞梁总成，由前碰撞横梁总成、吸能盒总成和安装端板组成的简化模型。吸能盒与横梁采用咬合焊接的接头方式，吸能盒与安装端板采用 型焊接接头，图黑色粗线区域为焊缝。图防撞梁结构图使用 程序编写的 用户子程序模拟热源移动，并导入 形成可三维移动的热源模型。热流密度的分布函数表达式为：（，）（）（）（）上式中：为焊接电弧输入热量；、为热源尺寸；为焊接电压；为焊接电流；表示热效率，假定为.。在焊接残余应力场模拟过程中，采用直接耦合法的热弹塑性有限元分析残余应力场、应变场与焊接过程的变形行为。在模拟过程中，需要考虑材料热物理性能与力学性能，铝合金的热物理属性与力学性能参数取自参考文献 焊接路径的确定图焊接顺序示意图吸能盒与安装端板之间采用分段焊接，将底部焊缝分为四个焊段。并首先将各种焊接工艺顺序与主要焊接受力方向综合考虑计算在内，研究分析其对焊接残余应力分布及规律产生的影响，为此设计提出了以下种不同顺序的焊接工艺方案，如图所示，在焊接过程中，焊缝开端如黑点所示，焊接方向与箭头方向一致，、为焊接次序。吸能盒与横梁采用咬合焊接的接头方式采用同一焊接顺序，不过多讨论。为了便于描述，路径 、分别对应方案 中的第一焊段至第四焊段。残余应力结果铝合金防撞梁分别采用各种不同的焊接工艺方案施工后，由焊接残余应力的分布图也可直观看出，距主焊缝中心线较靠近焊缝位置主要受残余拉应力，反之，距主焊缝轴线较偏远焊接位置则受残余压应力，不同的焊接加热顺序方式下铝合金防撞梁整体结构的焊缝残余应力的分布与云图基本相似，但其在主焊缝中心及附近焊缝区域中横向和纵向残余应力的分布仍存在较为明显之区别，为了可以更精确清楚直观的来观察主焊缝及其附近区域应力的空间分布的规律，需对不同路径下残余应力进行分析。图所示分别为防撞梁整体的横向和纵向残余应力分布云图。从图可发现整体焊接中产生出的焊缝残余应力分布主要都集中或分布于在焊缝中心周围部位以及焊缝热影响区的附近，靠近中心焊缝位置均为焊接残余拉应力集中分布，并对条焊缝处的纵向残余应力分布进行对比。图防撞梁整体的焊接残余应力分布云图内燃机与配件 图为路径 不同焊接方案的纵向残余应力曲线图，路径 和 在焊缝端部存在较大的压应力，且各路径下焊缝起始两端纵向残余应力与常规焊接方案 相比均有所降低，这是由于不同路径处焊接顺序不同，而导致焊缝端部首尾二次加热时间不同。焊缝端部在热源经过后温度骤降形成部分残余应力，不同方案由于焊接顺序和方向的改变，该端部会受其相邻焊缝端部的加热而受到二次加热，使其内应力得到释放，并与两次加热的时间间隔有关，时间间隔越长其加热释放的残余应力就越大，如退焊顺序方案 的焊缝处纵向残余应力释放更充分。图路径 的纵向残余应力曲线综上所述，为了降低焊接产生的残余应力，需将焊缝端部首尾二次加热及加热时间长短考虑在内。因此选择方案的残余应力最小的方案为初始焊接残余应力场，对比有无残余应力对其耐撞性的影响。考虑焊接残余应力耐撞性分析 碰撞有限元模型本文采取的一种研究的方式则是基于正面高速车辆碰撞作用下的前侧防撞梁系统的吸能等特性，通过刚性墙身与防撞梁之间正面碰撞定量模拟及分析侧面防撞梁结构的安全性能。基于 法规开展防撞横梁总成 正面刚性墙碰撞模拟，为了观察吸能盒变形破损模式，刚性墙总质量为 ，刚性墙以 的速度撞向前防撞梁，示意图如图。图刚性墙与防撞梁碰撞模拟图 材料本构与损伤模型在刚性墙体与前防撞梁的碰撞动力学模拟试验中，采用了 本构模型重新定义了 铝合金防撞梁的材料属性。在完全不综合考虑外界温度波动影响时，其具有如下形式：（）?（）（）损伤模型的损伤参数定义为：（）（）为等效塑性应变增量，为失效应变，依赖于无量纲的塑性应变率 ，损伤模型假定依赖项是可分离的，并且具有以下形式：（）?（）（?）（）式中，为应力三轴度，无量纲温度?，是材料其等效的热塑性应变率，?为参考应变率。、均为表征材料的相关物理常数，即为对材料应力状态温度的敏感系数，即为表征材料应变率温度的敏感系数，即为对材料温度系数的敏感系数。由于未考虑温度对断裂应变影响，故其值忽略。对于系铝合金防撞梁各分区 模型参数如表所示。表系铝合金防撞梁焊接接头各分区 参数（）（）.总体耐撞性及失效行为研究图为不同时刻防撞梁正碰变形云图，图为考虑焊接残余应力和不考虑焊接残余应力的防撞梁正碰仿真刚性墙碰撞力时间、吸收能量时间的曲线。防撞梁与刚性墙整个碰撞维持时间为 。在 碰撞初始阶段，前横梁首先与刚性墙接触，横梁弓起位置被刚性墙压平，此刻对应图点位置，有无焊接 残 余 应 力 的 平 均 变 形 抗 力 分 别 为 和 。横梁变形带动吸能盒咬合部位产生变形，由 年第期图不同时刻台车正碰变形云图弹性 屈 曲 向 塑 性 屈 曲 转 变，变 形 抗 力 迅 速 提 升。在 时，随着刚性墙移动，防撞梁下表面与吸能盒产生接触，作用力使得吸能盒壁由弹性屈曲逐渐转变为塑 性 屈 曲，使 得 碰 撞 力 达 到 峰 值（点），分 别 为 和 ，这是由于焊接产生的塑形应变增加了吸能盒的轴向刚度，使得考虑焊接残余应力的碰撞力峰值偏大。在 ，吸能盒产生压溃变形，吸能盒材料开裂失效，且形成周期性的碰撞力波峰波谷吸收碰撞过程的能量，在点和点位置的碰撞力出现波动这与上述吸能盒材料开裂失效有关，两次波动相距 。在 （点）时刻，防撞梁结构的能量吸收达到最大值 ，此时刚性墙速度已降为零，在 内刚性墙与防撞梁之间发生反弹分离，碰撞过程完成。图防撞梁正碰仿真刚性墙碰撞力时间、吸收能量时间的曲线从图可以发现未考虑焊接残余应力时防撞梁的碰撞力峰值要小 ，相对于考虑焊接残余应力的峰值偏低，且在碰撞过程中考虑焊接残余应力的碰撞力偏大，考虑焊接残余应力的碰撞力曲线到达波峰波谷的时刻均有所延后，这对乘客的安全具有重大意义。上述结论说明对于前防撞梁整体耐撞性能强度的有效评估，需要进一步将其焊接成形过程中产生的焊接残余应力也考虑到在内才能确保更有效贴近现场实际情况。为了可以更准确地快速评估汽车防撞梁的耐撞性，在汽车数值模拟防撞梁耐撞性分析过程时将其残余应力特性作为设计初始条件因素考虑在内显然是很必不可少的。结论）利用移动热源模型和瞬间移动热源模拟了 型铝合金防撞梁的焊接应力场，证明实现了将瞬间移热源模型技术应用于铝合金的焊接应力场仿真中并有能大大提高理论计算求解效率和的可行性。）沿焊缝方向纵向应力在不同路径下的分布有较大差异；焊接顺序对第一、三焊段纵向残余应力影响较大，选择设计出能够最优的焊接方案同时可实现有效减小纵向焊接残余应力的目的。）考虑焊接残余应力的防撞梁碰撞力要高于未考虑焊接残余应力的 ，吸能盒在压溃过程中开裂区域受焊接残余应力影响，考虑焊接残余应力可以提高铝合金防撞梁碰撞数值模拟的精度。参考文献：王媛媛，杜永贵无线传感器网络定位算法计算机仿真，（）：吴凡，彭力基于节点密度及路径优化的无线传感器网络 定 位 算 法 研 究 传 感 技 术 学 报，（）：，（）：，（）：刘国宁，李楠楠，宋晓辉，等 焊接顺序对 型接头焊接温度场、应变场和应力场的影响热加工工艺，（）：赵小康，张海燕，姚正锋，等 不同焊接顺序对 形接头焊接 变形及残余应力的影响金属加工（热加工），（）岳国辉，刘宝祥，刘珍海某车型吸能盒碰撞中非常 规问题研究汽车实用技术，（）：安治国，赵云云轿车防撞梁轻量化结构强度设 计计算机仿真，（）：，等 ，（）：