（光学工程专业论文）商用车车架横梁、连接板焊接连接分析及试验研究.pdf

；rt，-， c i a s s i f i e di n d e ：u 4 6 3 1 u d c ： d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r n g t es ta n ds t u d yo nt h ew e l d i n g t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nf o rt h e c r o s sm e m b e ra n dj o i n tp l a t eo f c o m m e r c i a lv e h i c l ef r a m e c a n d i d a t e ：c h e ny u c h u n s u p e n r i s o r ： p r o g u os h i y o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a u t y ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e2 01o u n i v e r s i 够：q i n g d a ot e c l l l l o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 商用车车架横梁、连接板焊接连接分析 及试验研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 沙c 。b6 丹仍目沙co 劬6f 仍目 堂竺鎏 一缈眦乩 p 溯奄施 姚影 钢袁6 l 青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 随着商用车行业竞争日益加剧，国家对汽车超载问题的关注和计重收费的实 施，用户对载货车辆减轻整备质量的要求日趋提高等因素，促使各制造商之间竞 争逐步转变为生产成本的竞争以及产品质量的竞争。先进制造技术代表着企业产 品质量水平，采取先进的制造技术，可以降低生产成本，提高产品质量和生产效 率，提高企业盈利能力。 本研究通过理论计算、c a e 有限元建模分析、工艺试验、整车试验等工作， 对圆管梁车架总成的生产工艺进行了分析，分别从冲压、焊接、铆接、涂装、总 装工艺等各方面进行了验证和确认。完成了两种结构车架总成不同工况下纵梁、 横梁、连接板应力c a e 分析对比。通过对不同厚度材料焊缝拉伸试验，为零件料 厚选择提供了依据。圆管梁结构车架整车经过在海南汽车试验场进行1 5 0 0 0 公里 可靠性试验验证( 坏路：1 0 0 0 0 公里；山路：5 0 0 0 公里) ，没有出现车架及圆管梁、 连接底座变形、断裂等故障，充分验证了圆管梁车架结构及生产工艺的可靠性。 通过研究实现了商用车车架总成横梁、连接板焊接连接工艺代替铆接连接工 艺，优化了车架总成产品结构及生产工艺方式，在降低制造成本同时，实现了整 车轻量化要剥1 1 ，提高了生产效率，提高了企业竞争力。 关键词先进制造技术；焊接连接工艺；有限元分析；管横梁；轻量化 青岛理工大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t n o w a d a y s 也ec o m p e t i t i o no ft l l ec o m m e r c i a lv e h i c l e sb e c o m e sm o r ea i l dm o r e 6 e r c e c o u l l t r i e sp a ym u c ha t t e i l t i o nt 0t 1 1 ep r o b l e mo fo v 甜o a d i n ga l l dc a n 了o u tt l l e p o l i c yo fc h a r g eb yw e i g l l t c o n s u m e r s ，d e m a n df o rr e d u 甜o no f t h em a s si sv e 呵 a c t i v e n l ef a c t o r sm 锄t i o n c da b o v eh a v el c dt ot 1 1 ec o m p e t i t i o no ft h eq u “i t y 如d p r o d u c t i o nc o s t a d v 缸c c dt e c h n o l o g ym e 觚sh i g l lq u a l i t yo f 廿l ep r o d u c t s o 也e a p p l i c a 廿o no ft 1 1 ea u d v 缸c e dt e d h n 0 1 0 9 ) ，c o u l dr e d u c em ep r o d u “o nc o s t ，i m p r 0 v e q u a l 时趾de f 矗c i c y i n c r e a s ep r o f i t a b i l i 够 i n 也i sr e s e a r c h ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 觚a l y s i so fc a ef i n i t ee l e m e 鸭 t ec _ 1 1 1 1 0 1 0 9 yt e s t 锄de n t i r ev c h i c l et e s th a v eb e e nc a 而e d0 u t t h r o u g l l 锄a 1 ) ，z i n g 也e t e c h n i q u e so fm et u b u l 盯c r o s sm 锄b e r 仔锄e ，t l l et e c h i q u e so fp r 舔s i i l g ，w e l d ，r i v e t j o i n t ，p a i n t ，勰s e m b l ea r et e s t e d 锄dv 耐f i c d n ea n a l y s i sa b o u t 缸n es i d em e m b c r o s sn u m b j o i l l tp l a t eo fd i 岱玎e n ts m l c t u r e 色m l eh a v eb e d o n e t h ew e l d i n gl i n e t e s th a v eb e 铋d o n ei no r d e rt 0g e tt l l ema t i 砸a lm ic _ h e s so fm ep a r t i n 也eh a i n 姐 p r 0 、，i n c e ，也ev e h i c l 嚣h a v e “v e d15 0 0 0k m ，锄dn l e 丹锄es i d em e m b c r o s s n u m b e r j o i n tp l a t ea r eg o o d a 1 1o f l et e s tv 嘶匆t l l es 仃u 舭a n d 也e t e c l m i q u 鼯 t h er 印l a c e m e n to fr i v e tj o i n ti nt 1 1 ec r o s sm 锄b e r 锄dj o i n tp l a t eo f 台a m e 弱s 锄b l yb yw e l d i n gt e d m o l o g yc o u l d b er e a l i z 。di nt l l ec o m m e r c i a lv 出d e f u i t l l 锄o r e l ep r o d u c ts m l c t u r e 蛆dt e d m 0 1 0 9 yw i l lb eo p t i m i z e d b yt h i sm e a n st l l e c o s t 埘l lb er e d u c e da tt h es 锄et i m e 也el i 曲似e i 9 1 l to ft 1 1 e 如1 lv e h i c l ew i l lb er e a l i z e d w h a t sm o r en l ep r o d u c t i o ne 伍c i 锄c y 锄d 伊e a tc o m p 舐t i o no fn l ec o m p 锄yw i l lb e i n c r e a s e d k e y w o r d sa d v 锄c e dm 弛u f a 咖渤gt e c l l i l 0 1 0 9 y ；w c l d i n gt e c l l n o l o g y ；f i n i t ee l 锄e n t 觚a 1 河s ；t i l b u l 盯c r o s sm 锄b e r ；l i g l l t 、) l ，e i g l l t l i 青岛理工大学工程硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论1 1 1 研究的背景及必要性1 1 2 国内外研究和应用现状1 1 3 主要研究内容及目标4 1 3 1 主要研究内容4 1 3 2 研究目标及实施进度4 第2 章焊接结构方案分析及焊接、铆接强度计算”6 2 1 横梁、连接板焊接结构方案分析6 2 2 横梁、连接板焊接连接与铆接连接强度计算分析1 0 2 2 1 连接底座与纵梁铆接强度理论计算1 0 2 2 2 焊缝强度理论计算1 1 第3 章结构c a e 分析及焊缝拉伸试验验证1 2 3 1 结构c a e 分析1 2 3 1 1 两种横梁扭转刚度分析对比l3 3 1 2 车架总成c a e 分析1 4 3 2 焊缝拉伸试验验证2 5 3 2 1 试验材料及内容2 5 3 2 2 拉伸试验结果及分析2 7 3 2 3 金相试验结果及分析2 9 3 3 结论3 0 第4 章圆管横梁车架总成生产工艺分析及实施3 2 4 1 冲压工艺实施措施3 2 4 1 1 连接底座生产工艺3 2 4 1 2 圆管横梁生产工艺3 3 4 2 横梁总成焊接工艺实施措施3 3 4 2 1 焊接工艺及设备一3 3 4 2 2 生产节拍3 3 4 3 圆管梁车架铆接工艺实施措施3 5 4 4 圆管梁车架总成涂装工艺实施措施“3 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 4 5 圆管梁车架总成底盘装配工艺实施措施3 8 第5 章整车试验及试验结果分析4 l 5 1 试验要求及试验车配置4 1 5 1 1 试验要求4 1 5 1 2 试验车基本情况4 1 5 1 3 试验车载荷4 2 5 1 4 试验车行驶里程及故障情况4 3 5 2 试验结论5 5 第6 章经济效果及风险分析5 7 6 1 效果分析5 7 6 1 1 焊接结构与铆接结构优缺点5 7 6 1 2 经济效果分析5 7 6 1 3 技术效果分析6 0 6 2 风险分析及对策、改进方向6 0 6 2 1 焊接质量控制6 0 6 2 2 产品失效维修6 0 6 2 3 提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术6 1 6 2 4 下一步研究方向6 1 结论一6 2 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作6 5 致谢6 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景及必要性 近年来商用车行业竞争日益加剧，重汽、福田、江淮等制造商的崛起以及国 外产品不断涌入，钢材等原材料涨价，国家对汽车超载问题的关注和计重收费的 实施，用户对载货车辆减轻整备质量的要求日趋提高等因素，促使各制造商之间 竞争逐步转变为生产成本的竞争以及产品质量的竞争。先进制造技术代表着企业 产品质量水平，采取先进的制造技术，可以降低生产成本，提高产品质量和生产 效率，提高企业盈利能力。 车架总成横梁、连接板采用焊接连接工艺方式， 第一、可以实现整车轻量化要求，节省钢材同时，有助于提高车辆的动力性 和燃油经济性。 第二、可以提高车架总成整体刚度，提高整车承载及使用性能。 第三、可以简化横梁、连接板生产加工工艺，提高材料利用率，降低原辅料 成本及零件成本。 第四、可提高铆接线生产效率，显著降低车架铆接线劳动强度，简化车架总 成生产工艺。 第五、明显节约人力成本，降低整车生产成本，提高企业竞争力，具有很好 的应用前景。 通过研究国外发展现状及先进技术，企业现有横梁、连接板连接方式为传统 全铆钉连接，生产成本高、劳动强度大，本研究内容符合企业生产发展实际情况。 1 2 国内外研究和应用现状 经研究国内外同类产品生产加工现状，国外部分主要商用车制造商近年来已 经在中重型车车架总成上采用槽型横梁、连接板焊接连接或管状横梁连接技术， 并取得较好效果。2 0 0 7 日本东京国际车展，部分中型卡车横梁连接采用焊接结构； 2 0 0 8 汉诺威国际商用车展，国际汽车制造商删、s c a n 队、i v e c o 等欧洲卡 车厂也在中型载货车的横梁连接上采用了焊接结构。 现国内中重型商用车车架总成仍基本沿用日本上世纪8 0 年代制造工艺技术， 青岛理工大学工程硕士学位论文 采用全铆接及螺栓连接结构，此工艺方式优点是工艺设备简单，工艺过程比较容 易控制，结构抗振、耐冲击，缺点是生产线工位生产效率较低，劳动强度大。 商用车车架总成横梁、连接板焊接替代铆接技术，现国内同行处于初期研究 阶段。目前国内车架分析的研究，主要是建立车架组合结构的有限元模型，计算 多工况下的车架结构应力分布，并通过实验验证模型的合理性，分析失效原因并 提出改进方案2 1 。在轻型卡车设计研究方面已有管状横梁有限元分析的研究。北 京理工大学的龙凯等2 0 0 7 年曾对某重型货车车架结构强度进行研究，通过c a e 分析确定最佳的改进方案 3 】。一汽集团公司技术中心郭立群等2 0 0 7 年对中重型汽 车车架结构强度有限元建模与分析方法进行了研究一j ，以上研究基本上都是以快 速解决产品开发问题，缩短产品开发周期为目的。合肥工业大学关长明等2 0 0 8 年初对轻型卡车车架的轻量化设计进行了研究，通过建立车架有限元模型，应用 有限元软件a n s y s 分析了管状横梁车架总成应力状态及特点【) j 。此研究对轻卡 车架进行了计算分析，没有实际实验数据对比。 随着国际汽车制造业竞争格局的加剧，低成本、高质量成为众多生产厂家追 逐目标，焊接连接工艺生产成本低，效率高，相信将来会成为多数中重型载货车 首选工艺制造方式。 在车架的设计和改进中，以基于有限元理论的c a e 分析技术预测车架结构的 动态特性、动态应力分布、疲劳寿命，并通过优化手段得到结构性能更为优越的 车架已越来越成为现代汽车车架开发与改进的趋势【5 】。 图1 1 为现国内中重型车横梁、连接板为铆接结构的车架总成 图1 1 横梁、连接板为铆接结构的车架总成图 2 图1 3m a n 车架结构图 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 1 3 主要研究内容及目标 1 3 1 主要研究内容 车架总成部分横梁、连接板焊接替代铆接工艺，通过分析计算两种不同工艺 方式总成强度对比，充分利用c a e 分析技术预测车架结构的动态特性、动态应力 分布。采用理论研究与实际试验相结合方式，优化横梁、连接板产品结构，在部 分横梁、连接板实现焊接连接工艺取代铆接连接工艺。 技术路线如下： 第一、焊接及铆接两种不同工艺方式横梁、连接板连接强度计算分析。 第二、利用c a e 建模、分析槽型横梁、管状横梁车架结构的动态特性及应力分布 比较。 第三、焊接结构车架总成生产工艺研究。 第四、整车试验，试验数据整理分析。 第五、相关工装正式生产准备及及结构推广应用。 通过c a e 分析，选取合理的横梁、连接板结构以及焊接质量控制是本研究的 重点；焊缝应力消除及提高焊接接头疲劳性能是本研究的难点。 1 3 2 研究目标及实施进度 本研究以中重型商用车车架总成横梁、连接板焊接连接工艺替代铆接连接工 艺为目标，采用理论计算以及有限元建模、分析等辅助手段，通过焊接工艺试验、 整车试验等方式，进一步优化横梁、连接板产品结构，从而优化车架生产工艺， 达到降低整车生产成本、提高整车质量的目的。表1 1 为项目实施进度。 表1 1 项目实施进度表 2 0 0 9 年2 0 1 0 年 任务名称 123 4 567891 01 l1 212 前期方案分析 结构分析、设计 结构评审，细节设计，工艺 设计。工装设计、制造 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 0 0 9 年2 0 1 0 年 任务名称 l23 4 567891 01 11 2l2 总成制造及工艺试验、验证； 数据分析 整车试验 结构改进及推广 接工艺、铆接工艺、涂装工艺等方案可行性分析。 第二、2 0 0 9 年0 3 月0 4 月：产品总布置方案设计，结构设计评审。 第三、2 0 0 9 年0 5 月0 6 月：结构评审，细节设计，工艺设计，工装设计、制造。 产品结构设计评审、修正；结构c a e 分析；工艺设计及简易工装设计、制造；根 据总布置图，进一步评审相关工艺方案的充分性。 第四、2 0 0 9 年0 7 月0 8 月：总成制造及工艺试验、验证；数据分析。零部件及 车架总成制造，整车制造；制造工艺验证( 焊接、铆接、涂装、总装) 及对比、 分析、改进。 第五、2 0 0 9 年0 9 月2 0 1 0 年1 月：整车试验及跟踪。 第六、2 0 0 9 年1 2 月2 0 1 0 年0 2 月：结构改进及推广。根据试验情况完善、改进； 工艺设计及正式工装设计、制造( 批量) 。 表1 2 为论文写作进度。 表1 2 论文写作进度表 2 0 0 9 年2 0 l o 年 任务名称 123456789l o1 l1 2l23 查阅国内外资料 根据项目实施进度开始写论 文 完成论文初稿提交导师 论文修改 i 修改完成提交导师 论文修改定稿 il 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章焊接结构方案分析及焊接、铆接强度计算 2 1 横梁、连接板焊接结构方案分析 现国内中重型车车架总成横梁、连接板连接方式基本为铆接结构【6 1 ，如图2 1 所示，生产过程中连接板提前铆接在单股纵梁上，之后通过横梁连接铆接为车架 总成，铆接过程车架需翻转一次。 图2 1 现国内中重型车车架铆接总成示意图 根据分析共有三种结构方案供选择： 第一、采用原结构的横梁连接板，在连接板局部开大圆孔进行电弧焊焊接。 如图2 2 所示： 6 一 青岛理工大学工程硕士学位论文 图2 2 连接板局部开大圆子l 结构图 简要分析：取消横梁上铆接用孔，取消连接板铆接用孔，取消铆钉，采用电 弧焊焊接方式，横梁、连接板生产工艺更简化，但是降重效果不明显。 第二、采用原结构的横梁连接板，采用电阻点焊焊接，如图2 3 所示： 图2 3 电阻点焊结构图 简要分析：取消横梁上铆接用孔，取消连接板铆接用孔，取消铆钉，采用双 7 青岛理工大学工程硕士学位论又 面单点焊焊接方式，横梁、连接板生产工艺更简化，但是降重效果不明显，同时 电阻点焊易产生不易发现的焊接缺陷。 第三、重新设计横梁、连接板结构，采用圆管横梁结构，重新设计连接板， 管梁与连接板采用电弧焊焊接，连接板与纵梁腹面铆钉铆接。如图2 4 、图2 5 所示： 图2 4 圆管横梁结构示意图 简要分析： ) 。) ) 图2 5 圆管横梁结构连接板示意图 此结构明显区别于原有槽型横梁、连接板结构。与槽型横梁、连 菊一 墨专 零芥 瑟哆琴一势 - i ， 碲了 鬻一纠纠 青岛理工大学工程硕士学位论文 接板结构相比，本方案产品结构简单，重量轻：制造工艺简单，如圆管横梁可以 直接采购定尺料，材料利用率高，制造成本低。但是由于本结构为首次采用，需 要对结构刚度、强度等进行相关分析、计算、验证，确保满足设计要求，达到产 品质量目标。 经过对以上三种方案分析、对比，最终选定第三种方案：重新设计横梁、连 接板结构，采用圆管横梁，圆管横梁与连接板采用电弧焊焊接。 结合车架总成制造工艺实际情况，同时为了进一步提高材料利用率，降低制 造成本，将连接板结构进行了进一步工艺优化，如图2 6 所示： 图2 6 优化后的圆管横梁结构连接板图 连接板料厚6 衄，材料：5 0 0 l ( 对应国标牌号q s t e 5 0 0 t m ) 横梁初步采用8 9 管材，2 0 号钢。 图2 6 所示的连接板与圆管梁焊接后形成整体横梁结构，最后采用铆钉铆接在 车架腹面上，如图2 7 所示： 9 太 算平均 焊接后 2 2 横梁、连接板焊接连接与铆接连接强度计算分析 2 2 1 连接底座与纵梁铆接强度理论计算 连接底座板料厚6 m m ，材料：5 0 0 l ( 对应国标牌号q s t e 5 0 0 t m ) ； 横梁采用中8 9 管材，2 0 号钢；铆钉：q 4 5 0 1 2 3 0 半圆头铆钉。 连接底座、纵梁连接用铆钉孔：o1 3 ；连接底座用8 个铆钉铆接于纵梁腹面； 由机械设计手册可查，铆钉许用剪应力( 冲孔) ：tp = 11 5 m p a ( 受变载荷时取 值降低1 0 2 0 ：即1 15 m p a 0 8 = 9 2 m p a ) 。 根据公式( 2 1 ) ： f = 击p 印 协， 铆钉剪力值计算：( 最大) 1 3 孔径面积a = 3 1 4 0 0 1 3 2 4 = 0 0 0 0 1 3 2 7 m 2 单个铆钉最大剪力值：1 1 5 m p a 0 8 a = 1 2 2 1 0 4n 8 个铆钉最大剪力值：1 2 2 0 8 1 0 4n 8 = 9 7 6 6 1 0 4n 1 0 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 2 2 焊缝强度理论计算 由机械设计手册可查，角焊缝许用剪应力：1 1 8 m p a ( q 2 3 5 ) 根据公式( 2 2 ) ： ，n 扛面石再羽 q 。2 连接底座与圆管横梁焊接，焊角高度：6 计算得： l 9 7 6 6 1 0 4 ( 0 7 0 0 0 6 1 1 8 1 0 6 ) = 0 1 9 7 m( 1 9 7 m m ) 圆管直径0 8 9 ，单面焊缝长度l = 3 1 4 8 9 = 2 7 9 m m 。 由于连接板与纵梁8 个铆钉铆接结构为多年来已经过充分验证的结构，按照与 8 个铆钉抗剪力校核，圆管梁与连接底座采用单面圆周焊既可满足强度要求。 图3 1 槽型横梁车架总成图 管横梁车架总成如图3 2 所示： 图3 2 管横梁车架总成图 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 1 1 两种横梁扭转刚度分析对比 对两种横梁都是固定一端，在另一端施加相同的扭矩值1 0 0 n i 嫩，最大位移 变化见图3 3 、图3 4 。其中圆管横梁最大位移变化值为o 5 4 1 矿衄，槽型横梁 最大位移变化值为1 9 5 1 0 4 m m 。可以看出圆管梁扭转变形明显小于槽型梁，即 圆管梁扭转刚度要大于槽型梁。 图3 3 圆管梁总成扭转变形图 图3 4 槽型梁总成扭转变形图 1 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 1 2 车架总成c a e 分析【7 8 】 网格划分说明：板簧支架和平衡悬挂大支架用四面体单元划分，板簧用等刚 度梁单元模拟，车架部件抽取中性面后，用四边形壳单元，对中性面划分网格【9 】。 用r b 锄2 对相应孔做m p c 模拟螺栓和铆钉连接【10 1 。 材料：纵梁材料：5 0 0 l ，料厚：8 m m ；圆管梁材料：2 0 号钢，壁厚：4 姗， 连接底座材料：5 0 0 l ，料厚：6 m m 。 分析工况、约束：按照整车坐标系，约束一轴的x 方向的位移，约束一侧的 y 向位移。z 向约束参见表3 1 。约束加在模拟板簧的梁单元中间处，也即板簧与 车桥连接部位。 载荷：3 0 吨。驾驶室、发动机、油箱等总成的载荷加在对应的质心位置，然 后把质心处节点与总成安装孔处做m p c 【l l - 12 1 。考虑动载等因素，工况一载荷系数 取2 5 ，其他工况载荷系数取1 3 。 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 表3 1 工况及约束情况表 约束情况 一轴 二轴 三轴四轴 工况 左轮右轮左轮右轮左轮右轮左轮右轮 工况一、 约束约束约束约束约束约束约束约束 纯弯曲 4 5 m m_ 4 5 m m 工况二、 强制强制位 约束约束 约束约束 约束 约束 轴扭 位移移 _ 4 5 m m4 5 衄 工况三、 约束约束强制强制约束约束约束约束 二轴扭 位移位移 5 8 m m5 8 m m 工况四、 约束约束约束约束强制强制位约束约束 三轴扭 位移移 5 8 m m5 8 m m 工况五、 约束约束约束约束约束约束强制 强制 四轴扭 位移位移 工况六、 4 5 m m_ 4 5 m m_ 4 5 n 加4 5 i 衄 一二轴对强制强制位强制强制约束约束约束约束 扭位移移位移位移 工况七、_ 4 5 m m4 5 衄5 8 m m5 8 m m 二三轴对约束约束强制强制强制强制位约束约束 扭位移位移位移移 工况八、 5 8 m m5 8 m m5 8 m m5 8 m m 三四轴对约束约束约束 约束强制强制位强制强制 扭位移移位移位移 工况九、4 5 n 衄4 5 m m_ 4 5 n u n4 5 m m5 8 m m5 8 m m5 8 m m5 8 衄 一二三四强制强制位强制强制强制强制位强制强制 轴对扭位移移位移位移位移移位移位移 1 5 约束情况 一轴 二轴 三轴 四轴 工况 左轮右轮 左轮 右轮 左轮右轮左轮右轮 工况十、 4 5 i n m_ 4 5 n l m 5 8 m m5 8 m m 一三轴对强制强制位 约束约束 强制强制位 约束约束 扭位移 移 位移 移 工况十 4 5 m m4 5 m m 5 8 m m5 8 m m 一、一四强制强制位 约束约束 约束约束 强制强制 轴对扭位移移 位移位移 工况十 - 4 5 m m4 5 m m 5 8 m j n5 8 m m 二、二四约束约束 强制强制约束 约束强制强制 轴对扭 位移位移 位移位移 分析结果如表3 2 、表3 3 ，表3 4 及图3 5 、图3 6 、图3 7 、图3 8 、图3 9 、 图3 1 0 所示。 表3 2 两种方案不同工况下连接板最大应力值 序号 工况位置 槽型梁车架圆管梁车架 l工况一、纯弯曲 连接板 3 5 72 7 6 2工况二、一轴扭 连接板 3 8 5 1 9 3 3工况三、二轴扭 连接板 2 7 0 1 9 2 4工况四、三轴扭 连接板 3 1 5 1 9 3 5工况五、四轴扭 连接板 2 8 91 6 7 6工况六、一二轴对扭 连接板 3 0 31 6 8 7 工况七、二三轴对扭 连接板 3 9 8 2 3 3 8工况八、三四轴对扭 连接板 1 8 7 1 6 1 9工况九、一二三四轴对扭 连接板 3 0 3 1 6 8 1 0 工况十、一三轴对扭 连接板 2 3 51 5 9 l l 工况十一、一四轴对扭 连接板 4 1 2 2 4 6 1 2工况十二、二四轴对扭 连接板 2 0 7 1 6 4 1 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 图3 5 两种方案不同工况下连接板最大应力值比较图 图3 6 两种方案不同工况下连接板应力改善百分比比较 1 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 表3 3 两种方案不同工况下横梁最大应力值 序号 工况位置 槽型梁车架圆管梁车架 1 工况一、纯弯曲横梁 1 8 02 0 3 2 工况二、一轴扭横梁 1 3 71 3 9 3 工况三、二轴扭横梁 1 2 81 3 5 4 工况四、三轴扭横梁 1 2 47 4 5 5 工况五、四轴扭横梁 1 0 98 2 9 6 工况六、一二轴对扭 横梁 1 0 36 7 7 7 工况七、二三轴对扭横梁1 5 61 7 1 8 工况八、三四轴对扭横梁 9 711 4 9 工况九、一二三四轴对扭横梁 1 0 31 2 5 1 0 工况十、一三轴对扭横梁 9 6 71 0 9 1l 工况十一、一四轴对扭横梁 1 8 91 8 6 1 2工况十二、二四轴对扭横梁1 0 l11 2 图3 7 两种方案不同工况下横梁最大应力值比较图 1 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 图3 8 两种方案不同工况下横梁应力改善百分比比较 表3 。4 两种方案不同工况下纵粱最大应力值 序号工况位置槽型梁车架圆管梁车架 l 工况一、纯弯曲 纵梁3 4 83 5 9 2 工况二、一轴扭 纵梁2 2 42 1 3 3工况三、二轴扭纵梁2 3 02 1 6 4 工况四、三轴扭纵梁 2 1 5 1 9 8 5工况五、四轴扭纵粱2 0 21 9 3 6工况六、一二轴对扭纵梁 2 3 02 3 3 7 工况七、二三轴对扭纵梁 2 4 32 1 8 8 工况八、三四轴对扭纵梁 2 0 21 9 6 9 工况九、一二三四轴对扭纵梁 2 3 02 3 3 1 0工况十、一三轴对扭纵梁2 1 72 0 8 l l 工况十一、一四轴对扭纵梁 2 1 62 2 0 1 2 工况十二、二四轴对扭纵粱 2 l l2 0 7 1 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 图3 9 两种方案不同工况下纵梁最大应力值比较图 图3 1 0 两种方案不同工况下纵梁应力改善百分比比较 从以上图3 5 、图3 6 、图3 7 可以看出，在所有工况中，两个方案的纵梁最 大应力值相差不大，连接板最大应力值降低改善明显，横梁最大应力值有增有减， 但数值都不大。因此从强度方面可基本判断出圆管梁方案略优于槽型梁方案。 模态分析：两个方案差别不大，在此不再详述。 青岛理工大学工程硕士学位论文 从以上分析可得，圆管梁车架连接板的最大应力点位置发生在纯弯曲工况， 最大应力值2 7 6 m p a ，坐标值( x ：8 4 5 7 ，y ：4 0 3 ，z ：8 8 ) 。见图3 1 1 ，图3 1 2 所示。 图3 1 l 弯曲工况下圆管梁车架连接板最大应力点位置图 图3 1 2 圆管梁车架连接板最大应力点位置图 2 l 图3 1 3 一四轴对扭工况下槽型梁车架连接板最大应力点位置图 青岛理工大学工程硕士学位论文 圆管横梁最大应力点位置发生在纯弯曲工况，最大应力值2 0 3 m p a ，坐标值 ( x ：8 4 0 9 ，y 3 6 5 ，z ：1 8 0 ) 。见图3 1 4 及表3 5 所示。 图3 1 4 弯曲工况下圆管梁最大应力点位置图 各工况下圆管梁最大应力点位置及最大应力值如下表3 5 所示： 表3 5 不同工况下圆管梁最大应力点位置及最大应力值表 i ：况 最人应力值最人应力点坐标 位置 i ：况一、纯弯曲 2 0 3 ( 8 4 0 9 ，3 6 5 ，1 8 0 )5 i ：况_ 二、一轴扭1 3 9( 1 6 2 6 ，3 7 5 ，1 6 4 ) l 兄三、二轴扭 1 3 5( 8 4 1 3 ，3 7 0 ，1 8 1 )5 i ：况四、二轴扭 7 4 5( 2 6 8 0 ，3 7 5 ，1 6 4 )2 l ：况五、四轴扭 8 2 9( 2 7 2 2 ，3 7 5 ，1 1 6 )2 l ：况六、一二轴对扭 6 7 7( 2 6 8 0 ，3 7 5 ，7 8 )2 l ：况七、二三轴对扭 1 7 l( 8 4 1 7 ，3 7 0 ，1 8 2 )5 l ：况八、三四轴对扭 1 1 4 ( 3 8 1 5 ，3 7 5 ，1 9 0 ) 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 j ：况最人虑力值最人虑力点坐标 位置 i ：况九、一二三四轴对扭 1 2 5( 1 6 3 4 。3 7 5 ，7 8 )l 。i ：况十、一三轴对扭 1 0 9( 8 4 1 3 ，3 7 0 ，1 8 1 )5 i ：况十一、一四轴对扭 1 8 6( 1 6 2 6 ，3 7 5 ，1 6 4 ) l i ：况十二、二四轴对扭 l1 2( 8 4 1 3 ，3 7 0 ，1 8 1 )5 图3 1 4 中位置5 表示第5 根圆管梁( 平衡悬挂后第一根) ，位置l 表示第一 根圆管梁。应力最大位置左右方向根据坐标可判断在圆管梁与横梁连接板的焊缝 位置。 槽型梁车架横梁的最大应力点位置发生在一四轴对扭工况，最大应力值 1 8 9 m p a ，坐标值( x ：2 5 6 0 ，y 2 3 6 ，z ：2 3 5 ) 。见图3 1 5 所示。 图3 1 5 一四轴对扭工况下槽型梁车架横梁最大应力点位置图 经过对改进前和改进后两种方案进行对比分析，多种工况下，改进后结构连 接板最大应力值降低明显，由4 1 2 m p a 降为2 7 6 m p a ：横梁最大应力值由1 8 9 m p a 增为2 0 3 m p a ，但变化不大，并且在材料屈服极限范围内。 2 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 2 焊缝拉伸试验验证 3 2 1 试验材料及内容 试验材料：2 0 号钢、5 0 0 l 。 材料尺寸：2 0 号钢，5 1 3 0 1 5 0 、4 1 4 0 1 5 0 ；5 0 0 l ，6 1 0 0 1 5 0 。 设备：c 0 2 焊机，型号之3 5 0 ，焊丝牌号e r 5 0 6 ，直径1 2 。 搭接点定后再焊接，焊接电流1 8 0 2 0 0 a ，焊接电压2 3 2 4 v ，保护气体 ( 心：8 0 + c 0 2 ：2 0 ) ，流量1 5 1 6 l 曲，单道焊。焊缝要求表面光滑，无气孔、 咬边、裂纹、焊瘤等缺陷。试验材料及焊接方式如图3 1 6 、图3 1 7 所示。 20 钢 2 0 钢 图3 1 6 双道焊缝焊接示意图 图3 1 7 单道焊缝焊接示意图 焊接完后，在试板远离起弧及熄弧处切取拉伸试验试样，取样宽度2 0 栅，l 、 3 、5 、7 号试样各取5 组，6 号试验取4 组。沿焊缝纵向及横向尺寸方向切取会相 试样。金相试样切取位置如图3 1 8 所示，拉伸试样切取位置如图3 1 9 所示。 ，。l 寸 青岛理工大学工程硕士学位论文 r 一r 一 f 苗苗 图3 1 8 金相试样切取位置图 2 02 02 02 02 01 02 0厶o3 0 l ，) ，) ，7 ，)7 ，)，) ，p ，) ) f i ) ，7 j，7 ，p ) ，) 图3 1 9 拉伸试样切取位置图 2 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 2 2 拉伸试验结果及分析 在拉伸试验机器上做拉伸试验；金相试样，经过镶嵌、抛光、腐蚀后观察金 相组织，拍金相照片。 拉伸试验机型号s u n 1 0 ；金相显微镜型号德国蔡司a x i o p l a ni i ；金相腐 蚀剂选择4 硝酸酒精溶液。 表3 6 所示为试验材料的机械性能，表3 7 为拉伸试验结果。 表3 6 试验材料的机械性能 机械性能 材料 抗拉强度( m p a )屈服强度( m p a ) 2 03 4 0 5 0 02 4 5 5 0 0 l5 5 0 7 0 05 0 0 表3 7 拉伸试验结果 试样编号最大力( k n )平均值拉断位置备注 1 12 8 3 7 2 1 22 8 2 8 6 单道焊2 0 号钢 1 32 8 3 3 72 8 2 8 7 4 2 0 号钢拉断 ( 4 1 4 0 1 5 0 ) 1 - 42 8 3 0 4 与5 0 0 l 板( 6 1 0 0 1 5 0 ) 1 52 8 1 3 8 3 12 8 2 4 5 3 2 2 7 9 8 2 双道焊2 0 号钢 3 32 8 2 4 32 8 1 4 9 2 0 号钢拉断 ( 4 1 4 0 1 5 0 ) 3 - 42 8 3 6 与5 0 0 l 板( 6 x 1 0 0 1 5 0 ) 3 52 7 9 1 5 5 15 1 9 7 1 5 25 2 4 8 6 单道焊2 0 号钢 5 35 0 9 9 65 2 0 9 8 8 2 0 号钢焊缝过渡 ( 5 1 3 0 1 5 0 ) 5 _ 45 2 7 7 9 区与5 0 0 l 板( 6 1 0 0 1 5 0 ) 5 55 2 2 6 2 7 一l5 2 8 6 2 7 25 3 3 9 2 双道焊2 0 号钢 7 35 2 4 6 35 2 8 3 7 6 2 0 号钢拉断 ( 5 1 3 0 1 5 0 ) 7 _ 45 2 4 0 7 与5 0 0 l 板( 6 1 0 0 1 5 0 ) 7 55 3 o “ 6 12 4 9 9 5 单道焊2 0 号钢 6 _ 25 1 1 0 3 2 0 号钢焊缝过渡( 5 1 3 0 1 5 0 ) 6 37 9 9 9 5 区与5 0 0 l 板( 6 6 41 0 7 7 9 7 1 0 0 1 5 0 ) 青岛理工大学工程硕士学位论文 根据拉伸试验结果：1 撑与3 群采用相同尺寸的试验材料，l 撑采用单道焊，3 撑 采用双道焊形式。在拉伸试验中，两者拉伸最大力很接近；试验的断裂位置同为 2 0 号钢母材部位，远离焊缝热影响区。说明在拉伸过程中先达到2 0 号钢的屈服 极限，而焊缝未被拉开。 5 j | j 与7 群试验材料尺寸相同，与1 群、3 | j 6 相比，2 0 号钢的厚度不同，5 f j 采用单 道焊，7 f i 采用双道焊形式。单道焊时，2 0 号钢焊缝过渡区开裂；双道焊时，最大 拉力比单道焊时高7 3 8 8 n ，2 0 号钢母材断裂。 结合上两组对比试验，当2 0 号钢板厚4 m m 时，焊接单、双道焊缝，断裂位 置都在2 0 号钢母材。当2 0 号钢板厚5 m m 时，单道焊缝，2 0 号钢与焊缝过渡区 处拉断；双道焊缝时，拉断位置在2 0 号钢母材。 图3 2 0 所示为试验拉断样件照片。 图3 2 0 试验拉断样件照片 根据抗拉强度计算公式( 3 1 ) ： 月。= l s ( 3 - 1 ) 计算得到的试验抗拉强度如表3 8 所示。表3 6 中2 0 号钢抗拉强度在 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 4 0 5 0 0 m p a 、5 0 0 l 抗拉强度在5 5 0 7 0 0 m p a ，计算抗拉强度值基本在2 0 号钢抗 拉强度范围内，未达到5 0 0 l 的抗拉强度，这也与前面的拉伸试验结果相符合。 表3 8 试验抗拉强度表 截面积最大力计算抗拉强度 试验编号 s ( m m 2 )f 。( n )r 。( m p a ) l 8 02 8 2 8 7 43 5 3 38 02 8 1 4 93 5 2 51 0 05 2 0 9 8 85 2 l 71 0 05 2 8 3 7 65 2 8 6 15 02 4 9 9 55 0 0 6 21 0 05 1 1 0 35 1 1 6 31 5 07 9 9 9 55 3 3 6 _ 4 2 0 0 1 0 7 7 9 75 3 9 6 撇样主要用于考察拉伸试验材料焊缝长度对试验结果的影响。图3 2 1 为焊 缝长度与拉伸最大力关系图，拉伸最大力与焊缝长度基本呈线性关系，这说明随 着焊缝长度增大，其能承受的拉力在一定范围内会相应增大