铝合金车架平板焊缝结构建模与损伤分析
疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式。大量统计资料表明，在金属结构失效中，约80%以上是由疲劳引起的。本文通过对铝合金车架平板焊缝结构进行疲劳强度的损伤分析来预测焊接部分的使用寿命。首先，对于焊缝将通过proe绘图软件进行建模。紧接着利用ANSYS软件进行网格划分和施加载荷得出应力云图，然后将所得到的应力云图用ANSYS疲劳强度分析软件进行疲劳损伤仿真分析。通过对焊缝的建模与疲劳损伤分析可以预测焊接部分的疲劳寿命，大大的提高了汽车的安全性，从而使得汽车的开发与销售得到进一步提升。关键词 铝合金，焊缝，Proe建模，ANSYS疲劳分析法目录
1 引言2
1.1 疲劳研究的发展2
1.2 疲劳断裂机理2
2 铝合金车架部分选取与载荷分析3
2.1 焊接结构对汽车性能的影响3
2.2 前纵梁与前地板示意图4
3 铝合金车架点焊设计建模与应力分析4
3.1 铝合金材料的添加4
3.2 创建几何模型5
3.3 静力分析中分配材料及接触类型8
3.4 网格划分与施加约束9
3.5 添加需要的结果并求解10
3.6 结果分析与讨论15
4 铝合金车架典型焊接设计建模与损伤分析17
4.1 前纵梁焊接的建模与分析17
4.2 导入模型和添加材料17
4.3 求解并显示求解结果20
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
现代汽车的设计以及越来越趋近于人们的要求和期望，在汽车市场竞争日益激烈的同时，汽车的安全性无疑成为了一个重中之重，然而，并不是加厚加粗就能保证汽车的安全性的。在保证安全性的同时，轻量化当然也是需要考虑的，否则车变得特别笨重只会加剧燃油的消耗量，造成经济的损失。在研究安全性的时候，出现了疲劳强度、疲劳损伤等词汇。这些都是改善汽车安全性的重要因素，而且重要性与日俱增。车身不可避免的出现焊接，焊缝的疲劳研究也是一
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
设计以及越来越趋近于人们的要求和期望，在汽车市场竞争日益激烈的同时，汽车的安全性无疑成为了一个重中之重，然而，并不是加厚加粗就能保证汽车的安全性的。在保证安全性的同时，轻量化当然也是需要考虑的，否则车变得特别笨重只会加剧燃油的消耗量，造成经济的损失。在研究安全性的时候，出现了疲劳强度、疲劳损伤等词汇。这些都是改善汽车安全性的重要因素，而且重要性与日俱增。车身不可避免的出现焊接，焊缝的疲劳研究也是一项重要的课题。本次课题就主要针对这一方面进行建模研究与损伤分析。
1.1 疲劳研究的发展
20世纪初，当用于疲劳机理的研究的光学显微镜出现时，人们观察到了由局部滑移线和滑移带所引起的裂纹。[1]1910年，Basquin提出了能够表示S-N曲线的经验总结公式。1920年，Griffith发现玻璃脆性断裂是的名义应力取决于微裂纹尺寸。在20世纪20年代，Gough等人在疲劳机理研究方面做出了重大的贡献，1924年Gough出版了一部关于金属疲劳的综合性著作。1930年，Peterson建立了应力集中洗漱和疲劳极限关系。1937年，Neuber提出了缺口应力集中理论。1939年，Weibull所提出得材料强度的统计理论也得到了验证。1945年，Miner和瑞典的工程师Palmgren同时发表了线性累积损伤的准则，这就是著名的Palmgren-Miner准则。[2]
目前，即使工程界对于结构和材料的疲劳都给予了足够高的重视，也制定出了各种各样的规范来防止结构发生疲劳失败，但是，由于疲劳的影响因素较多，在现代机械装备和工日，德国发生的高速列车脱轨，造成100多人遇难的事故，就是由于一个双壳车轮的钢制轮毂发生的疲劳疲劳破损而引发的。[3,4]在现代机械结构逐渐向高温、高压和高速方向发展的同时，疲劳的问题也会变得越来越明显，所以说材料的疲劳研究，材料的抗疲劳设计将会是是一项无止境的课题。[5]
1.2 疲劳断裂机理
疲劳是一种损伤的累积过程，是材料在循环应变或应力的反复作用下发生的性能变化。经过多次数的循环应变或应力作用后，疲劳裂纹或断裂就会在金属结构的局部产生。
疲劳和脆性的断裂相比较来说，两者在断裂时的形变都是非常小的，单疲劳的断裂需要经过多次加载，而脆性断裂则一般不需要进行多次加载；结构的脆性断裂是在一瞬时完成的，然而疲劳裂纹扩展是相对较为缓慢的，需要经历一段时间之后才能够发生破坏。[6]相对于脆性断裂，温度所带来的影响是非常关键的，随着温度慢慢的降低，急剧增加了脆性断裂所带来的危险性，但是材料疲劳强度所带来的变化并不显著。[7]
任何属性的材料疲劳断裂过程都必须经过裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展（即瞬时断裂）这三个必要阶段。在疲劳的断口上面可以明显的观察到“年轮弧线”造成的痕迹，可以把它分为裂源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-1所示。
图1-1 疲劳断口示意图
1-裂纹源； 2-裂纹扩展区； 3-瞬时断裂区
2 铝合金车架部分选取建模与载荷分析
2.1 焊接结构对汽车性能的影响
汽车的结构是决定汽车性能的主要因素之一，如汽车的平顺性、制动性、动力性、舒适性、整车刚度、操纵稳定性、安全性、燃油经济性等。
汽车的安全性主要是指碰撞安全性。焊接结构不合理性会导致在碰撞过程中焊点脱开、焊缝开裂、车身断裂等严重安全问题。现代轿车从力学角度出发，根据不同的受力情况，在车身上设计出吸能区和抗变形区，这样做能够让部分的车体在发生碰撞时可以起到吸能并分散作用，达到尽量减弱冲击力的效果。这个问题是从属于车辆安全性能的范畴之内。[8]
这次主要采用前纵梁和前地板之间的焊接分析，前纵梁采用方管型结构，以保证正面的撞击力，同时保证车身扭动抗力，由左右两个零件点焊而成，内侧为U形结构，一般板厚为1.5mm，外侧为盖板，一般板厚为1.2mm。考虑到车身重量和吸收能量形变，前纵梁一般采用变断面钢板（也有采用铝合金材质的比如奥迪A8）。焊接翻边一般为15-18mm，焊点间距为20-30mm，单排焊点，焊点均匀分布，焊核直径为5mm左右。
2.2 前纵梁与前地板示意图
首先是从网上找到的关于前纵梁与前地板的示意图，如下图所示。
图2-1左前纵梁示意图
图2-2 轿车白车身前地板
其中，前地板深绿色部分就是与前纵梁焊接的部分，这部分采用的是单排焊点点焊结构，对于这部分做模型的时候直接采用ANSYS直接建模，为了简化模型，我们看成是两块铝合金板（虽然一般都是采用钢板）之间的焊接，具体操作如下面所示。
3 铝合金车架点焊设计建模与应力分析
3.1 铝合金材料的添加
在Workbench设置静力分析系统，将工具箱中的静力分析系统Static Structure拖入到Project Schematic，键入分析系统名称Spot Weld。如图3-1所示。
图3-1 静力分析系统
然后就是进行材料的填充，双击静力分析A2单元格Engineering Data，进入
1 引言2
1.1 疲劳研究的发展2
1.2 疲劳断裂机理2
2 铝合金车架部分选取与载荷分析3
2.1 焊接结构对汽车性能的影响3
2.2 前纵梁与前地板示意图4
3 铝合金车架点焊设计建模与应力分析4
3.1 铝合金材料的添加4
3.2 创建几何模型5
3.3 静力分析中分配材料及接触类型8
3.4 网格划分与施加约束9
3.5 添加需要的结果并求解10
3.6 结果分析与讨论15
4 铝合金车架典型焊接设计建模与损伤分析17
4.1 前纵梁焊接的建模与分析17
4.2 导入模型和添加材料17
4.3 求解并显示求解结果20
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 引言
现代汽车的设计以及越来越趋近于人们的要求和期望，在汽车市场竞争日益激烈的同时，汽车的安全性无疑成为了一个重中之重，然而，并不是加厚加粗就能保证汽车的安全性的。在保证安全性的同时，轻量化当然也是需要考虑的，否则车变得特别笨重只会加剧燃油的消耗量，造成经济的损失。在研究安全性的时候，出现了疲劳强度、疲劳损伤等词汇。这些都是改善汽车安全性的重要因素，而且重要性与日俱增。车身不可避免的出现焊接，焊缝的疲劳研究也是一
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
设计以及越来越趋近于人们的要求和期望，在汽车市场竞争日益激烈的同时，汽车的安全性无疑成为了一个重中之重，然而，并不是加厚加粗就能保证汽车的安全性的。在保证安全性的同时，轻量化当然也是需要考虑的，否则车变得特别笨重只会加剧燃油的消耗量，造成经济的损失。在研究安全性的时候，出现了疲劳强度、疲劳损伤等词汇。这些都是改善汽车安全性的重要因素，而且重要性与日俱增。车身不可避免的出现焊接，焊缝的疲劳研究也是一项重要的课题。本次课题就主要针对这一方面进行建模研究与损伤分析。
1.1 疲劳研究的发展
20世纪初，当用于疲劳机理的研究的光学显微镜出现时，人们观察到了由局部滑移线和滑移带所引起的裂纹。[1]1910年，Basquin提出了能够表示S-N曲线的经验总结公式。1920年，Griffith发现玻璃脆性断裂是的名义应力取决于微裂纹尺寸。在20世纪20年代，Gough等人在疲劳机理研究方面做出了重大的贡献，1924年Gough出版了一部关于金属疲劳的综合性著作。1930年，Peterson建立了应力集中洗漱和疲劳极限关系。1937年，Neuber提出了缺口应力集中理论。1939年，Weibull所提出得材料强度的统计理论也得到了验证。1945年，Miner和瑞典的工程师Palmgren同时发表了线性累积损伤的准则，这就是著名的Palmgren-Miner准则。[2]
目前，即使工程界对于结构和材料的疲劳都给予了足够高的重视，也制定出了各种各样的规范来防止结构发生疲劳失败，但是，由于疲劳的影响因素较多，在现代机械装备和工日，德国发生的高速列车脱轨，造成100多人遇难的事故，就是由于一个双壳车轮的钢制轮毂发生的疲劳疲劳破损而引发的。[3,4]在现代机械结构逐渐向高温、高压和高速方向发展的同时，疲劳的问题也会变得越来越明显，所以说材料的疲劳研究，材料的抗疲劳设计将会是是一项无止境的课题。[5]
1.2 疲劳断裂机理
疲劳是一种损伤的累积过程，是材料在循环应变或应力的反复作用下发生的性能变化。经过多次数的循环应变或应力作用后，疲劳裂纹或断裂就会在金属结构的局部产生。
疲劳和脆性的断裂相比较来说，两者在断裂时的形变都是非常小的，单疲劳的断裂需要经过多次加载，而脆性断裂则一般不需要进行多次加载；结构的脆性断裂是在一瞬时完成的，然而疲劳裂纹扩展是相对较为缓慢的，需要经历一段时间之后才能够发生破坏。[6]相对于脆性断裂，温度所带来的影响是非常关键的，随着温度慢慢的降低，急剧增加了脆性断裂所带来的危险性，但是材料疲劳强度所带来的变化并不显著。[7]
任何属性的材料疲劳断裂过程都必须经过裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展（即瞬时断裂）这三个必要阶段。在疲劳的断口上面可以明显的观察到“年轮弧线”造成的痕迹，可以把它分为裂源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如图1-1所示。
图1-1 疲劳断口示意图
1-裂纹源； 2-裂纹扩展区； 3-瞬时断裂区
2 铝合金车架部分选取建模与载荷分析
2.1 焊接结构对汽车性能的影响
汽车的结构是决定汽车性能的主要因素之一，如汽车的平顺性、制动性、动力性、舒适性、整车刚度、操纵稳定性、安全性、燃油经济性等。
汽车的安全性主要是指碰撞安全性。焊接结构不合理性会导致在碰撞过程中焊点脱开、焊缝开裂、车身断裂等严重安全问题。现代轿车从力学角度出发，根据不同的受力情况，在车身上设计出吸能区和抗变形区，这样做能够让部分的车体在发生碰撞时可以起到吸能并分散作用，达到尽量减弱冲击力的效果。这个问题是从属于车辆安全性能的范畴之内。[8]
这次主要采用前纵梁和前地板之间的焊接分析，前纵梁采用方管型结构，以保证正面的撞击力，同时保证车身扭动抗力，由左右两个零件点焊而成，内侧为U形结构，一般板厚为1.5mm，外侧为盖板，一般板厚为1.2mm。考虑到车身重量和吸收能量形变，前纵梁一般采用变断面钢板（也有采用铝合金材质的比如奥迪A8）。焊接翻边一般为15-18mm，焊点间距为20-30mm，单排焊点，焊点均匀分布，焊核直径为5mm左右。
2.2 前纵梁与前地板示意图
首先是从网上找到的关于前纵梁与前地板的示意图，如下图所示。
图2-1左前纵梁示意图
图2-2 轿车白车身前地板
其中，前地板深绿色部分就是与前纵梁焊接的部分，这部分采用的是单排焊点点焊结构，对于这部分做模型的时候直接采用ANSYS直接建模，为了简化模型，我们看成是两块铝合金板（虽然一般都是采用钢板）之间的焊接，具体操作如下面所示。
3 铝合金车架点焊设计建模与应力分析
3.1 铝合金材料的添加
在Workbench设置静力分析系统，将工具箱中的静力分析系统Static Structure拖入到Project Schematic，键入分析系统名称Spot Weld。如图3-1所示。
图3-1 静力分析系统
然后就是进行材料的填充，双击静力分析A2单元格Engineering Data，进入
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