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车体结构铝材T型接头匹配强度有限元分析 张 怡 罗 运 陈吉清 兰凤崇 （华南理工大学机械与汽车学院，广东广州，510640） 摘 要： 铝合金车身是未来汽车的发展方向，实际行驶中车身上的某些焊接部位常常发生开裂现象，严重影响汽车行驶的安全性。本文对车身常用的Al6063材料T型焊接接头低、高和等强度匹配进行仿真分析，研究了T型焊接接头受静载荷应力应变分布和焊缝强度对焊接接头应力应变分布的影响，指出高强度匹配能改善焊接接头性能及高强度匹配最佳匹配系数，找到了高强度匹配T形接头焊接结构的薄弱位置，为合理制定焊接工艺和确保焊接质量提供了参考。 关键字：焊接 焊缝强度 强度匹配 匹配系数 1前言 近年来,由于世界性能源问题的突出以及各国对环保的重视,汽车制造业把减轻汽车质量,降低油耗作为提高企业竞争力的关键。其中采用铝合金材料代替钢材在汽车上的应用是重要措施之一。研究表明[1],采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37%;悬挂装置的负荷降低18%;振动强度降低5%。未来，将会有越来越多的铝合金应用于汽车。 安全性是汽车最为关注的研究方向。铝合金空间框架结构是车辆的主要承载体，对车辆碰撞安全性和运行耐冲击性的起关键作用，铝合金空间框架结构是由许多T型管接头和对接焊接接头构成的，在汽车实际使用过程中，这些接头焊接部位常常会发生开裂，严重影响了汽车行驶的安全性。 焊接接头是由焊缝、熔合区、热影响区和母材组成的不均匀体。焊接接头的整体强度与母材和焊缝之间的力学匹配有关，且匹配类型对焊接接头的疲劳寿命也有影响。研究不同匹配焊接接头受载时的应力应变，对于提高结构整体强度、防止断裂事故发生有重要意义。 本研究通过对铝合金空间框架结构中最常见的T型焊接接头进行有限元分析，找出了焊缝强度对焊接接头应力应变分布的影响以及高匹配焊接部件的薄弱位置，同时也指明了高强度最佳匹配系数。 车身常用T型接头计算模拟由两根矩形管构成，两矩形管通过焊丝焊接，接触边界都有焊缝。根据实测尺寸长度，考虑到有限元分析方便对实测尺寸做可行性修改，利用CATIA绘图软件建立T型接头实体模型导入计算软件完成有限元模型定义。几何模型尺寸如图1所示，模型中Z轴向矩形管长度取370㎜,Y轴向矩形管长度取220㎜,矩形管的厚度均取3㎜，竖直和横向矩形管的截面尺寸相同，宽度尺寸100 ㎜，高度76㎜，焊接材料直径4㎜。焊接过程中母材和焊丝都受焊接高温影响，材料性能参数发生变化，建立有限元模型过程着重考虑焊接接头焊缝、热影响区和母材材料弹性模量、屈服强度不一致性，划分网格体现不同区域材料差异，更加准确合理模拟T型接头加载后应变过程。 到目前为止，焊接接头的力学性能不均匀性还没有统一的表述形式，本文采用穿孔剪切试验对A16063焊接接头的力学性能进行了测试得出离焊缝中心各点的穿孔剪切载荷位移曲线，各点的真应力应变曲线，以及得出了离焊缝中心线的不同距离的各点的抗拉强度和屈服强度。焊接接头在热影响区的硬度，屈服强度和抗拉强度都出现明显的降低，属于最弱的区域，而焊缝的性能比热影响区要稍微偏高。考虑到有限元模型复杂程度和焊缝的尺寸，用加权方法对离焊缝中心不同距离实验数据优化整合，根据离焊缝中心距离不同，分为焊接材料、热影响区和母体材料三块区域进行网格划分，经过加权计算对焊接区域进行如图2所示情况划分网格：其中B路径和E路径线表示母材和焊材的焊接线，为了后面分析说明划分为二个热影响区，A路径线和C路径线之间区域定位第一热影响区，D路径和F路径线围城的区域为第二热影响区，C路径和D路径之间区域为材料属性基本不变的焊材，划分完网格后总共有2268个节点，2232个壳单元。 考虑到汽车行驶过程中，T型接头的可能受力情况，加载约束方式采用Z轴向矩形管两端完全约束，即约束三个平动和三个转动总共六个自由度。载荷集中力约束方式如图3所示，力作用点在平面中线上，考虑到如果集中力施加在单一节点上会导致节点周围出现塌陷情况，因此在节点处再创建一个刚性连接，一定程度上均匀传递集中载荷，载荷为8000N。确定边界条件和加载方式，在前处理器里先抽取几何模型中面，再进行网格划分，最后使用有限元分析软件进行非线性静态分析。焊缝强度匹配[6]通常采用焊缝金属屈服强度与母材金属屈服强度的比值Ｍ来表示， 即 Ｍ＝ （6） 式中 Ｍ 为强度匹配因子； ,分别为焊缝金属与母材金属的屈服强度。 目前在制造焊接结构时， 对焊材的选择有如下三种原则： 焊缝低匹配（Ｍ＜１）、焊缝等匹配（Ｍ＝１）和焊缝高匹配（Ｍ＞１）。考虑Ｍ＝0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6六种情况，六种匹配类型的焊接接头材料性能数据如