小論文——鋁合金焊接件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及有限元計(jì)算方法研究

1、 鋁合金焊接件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及有限元計(jì)算方法研究 （中山大學(xué)工學(xué)院  鄭振曉   指導(dǎo)老師：劉強(qiáng)） 【論文摘要】對(duì)于鋁合金車體來(lái)說(shuō)，大多數(shù)都是焊接而成，由于在做有限元模擬仿真過(guò)程中，很少會(huì)考慮到焊接處的處理，這將會(huì)給有限元分析帶來(lái)精度上的影響。本課題主要借助中山大學(xué)工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)與制造設(shè)備，從鋁合金及鋁合金焊接件的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)著手，分析實(shí)驗(yàn)室鋁合金焊接前后的力學(xué)性能變化。在有限元分析的過(guò)程中，分析不考慮焊縫或者使用焊接單元連接計(jì)算的結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的差異。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室的焊接狀態(tài)下，鋁合金焊接后出現(xiàn)軟化，強(qiáng)

2、度降低的現(xiàn)象，而在有限元分析中，不考慮焊縫或使用焊接單元計(jì)算的結(jié)果將會(huì)給分析帶來(lái)極大的誤差。最后提出了模擬鋁合金焊接件的有限元計(jì)算方法，有效的提高了焊接件有限元模擬仿真的精度，為鋁合金焊接件的設(shè)計(jì)與制造提供了一定的參考。關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接件；力學(xué)性能；有限元模擬仿真；有限元計(jì)算方法 隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，汽車尾氣排放及對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境、能源問(wèn)題也日益嚴(yán)重，己經(jīng)引起了世界各國(guó)的普遍重視。以電動(dòng)汽車代表的先進(jìn)技術(shù)汽車以其良好的環(huán)保、能源特性開(kāi)始成為國(guó)際汽車工業(yè)發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)之一。而研發(fā)電動(dòng)車的一個(gè)重要的技術(shù)要求就是輕量化，要實(shí)現(xiàn)輕量化，材料的選擇是一個(gè)關(guān)鍵的一步。

3、在多種的材料選擇上，鋁合金是一個(gè)比較理想的選擇。采用鋁合金材料，并在此基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的組合框架結(jié)構(gòu)將是未來(lái)交通工具發(fā)展的主要方向。而車體上的鋁合金的各方面強(qiáng)度是有關(guān)汽車性能的一個(gè)重要方面。有限元分析方法模擬汽車碰撞過(guò)程是研究鋁合金構(gòu)件耐撞擊性的重要方法。當(dāng)前，有限元方法理論已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟和完善，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，又在很大程度上推進(jìn)了有限元法分析在工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。而現(xiàn)在的汽車上的鋁合金部件大部分是焊接而成，在大部分做有限元分析的過(guò)程中，都是簡(jiǎn)化了物理模型，很少會(huì)考慮到焊縫處的處理，這就給有限元模擬仿真分析的時(shí)候帶來(lái)誤差或者精度上的影響。由于焊接工藝上存在較大的差別，焊接后強(qiáng)度方面的

4、變化也會(huì)存在差異，本課題就是著重研究鋁合金焊接前后的力學(xué)性能變化，提出焊接件有限元計(jì)算處理方法，正確模擬出焊接件的強(qiáng)度變化曲線，為鋁合金焊接件的制造和設(shè)計(jì)提供一定的參考。1.鋁合金材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究本次實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器是新三思液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、電子引伸計(jì)等等。鋁合金原材料是完全取于中山大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)中心研究新能源電動(dòng)車的鋁材（型號(hào)6061），試驗(yàn)原理方法（略）按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸試驗(yàn)試樣GB6397-86對(duì)矩形等種拉伸試件的制備做的統(tǒng)一規(guī)定，為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確并具有可比較性，制作不同厚度的試件，其中一類試件的厚度為4mm，一類試件厚度為6mm.制作的試件尺寸如下圖所示:圖2.1 試件

5、一、二尺寸圖（左）；試件三、四尺寸圖（右）  表21 各個(gè)試件實(shí)際測(cè)量數(shù)值 試件編號(hào)1 2 3 4標(biāo)距l(xiāng)0(mm)50 50 50 50截面寬度a（mm）19.82 19.62 19.62 19.72標(biāo)距為電子引伸計(jì)的原始長(zhǎng)度截面高度b（mm）6.12 6.14 4.14 4.10使用MATLAB的曲線擬合工具箱，用直線擬合兩段數(shù)據(jù)，求得兩直線斜率，根E=/,=F/A,=l/l；E=Fl/lA=kl/A，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的彈性模量。       圖2.2 試件一曲線擬合圖 圖2.3 試件二曲

6、線擬合圖 圖2.4 試件三曲線擬合圖 圖2.5 試件一曲線擬合圖綜上，對(duì)4個(gè)求出平均值，舍去試件二誤差較大的數(shù)據(jù)，得鋁合金板的彈性模量為68.257Gpa，舍去試件一誤差較大的，求得塑性段彈性模量為0.3850Gpa，屈服強(qiáng)度為287.2 Mpa，極限強(qiáng)度為329.4MPa2.鋁合金焊接件力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究鋁合金試件材料采用牌號(hào) 6061的鋁合金，焊接技術(shù)狀態(tài)與鋁合金車架的焊接狀態(tài)完全相同。鋁合金焊接的焊條采用ER5356型號(hào)?？紤]到焊接過(guò)程有，工藝質(zhì)量有所差異，制作了兩個(gè)不同尺寸，焊縫有所不同的試件，制作的試件尺寸如下圖所示：   圖3.1 試件一、二尺

7、寸圖 圖3.2 試件三、四尺寸圖表3-1 各個(gè)試件實(shí)際測(cè)量數(shù)值試件編號(hào)1 2 3 4標(biāo)距l(xiāng)0(mm)100 100 50 50截面寬度a（mm）30.12 30.15 19.88 19.72標(biāo)距為電子引伸計(jì)的原始長(zhǎng)度截面高度b（mm）11.87 11.90 6.05 6.07 同理，左邊固定，右邊施加4mm的位移載荷，實(shí)驗(yàn)結(jié)束對(duì)結(jié)果擬合后求得相應(yīng)的彈性模量：   圖3.3 試件一、二力-位移結(jié)果圖 圖3.4試件三、四力-位移結(jié)果圖表3-2 鋁合金焊接件的極限強(qiáng)度橫截面積（mm2） 極限點(diǎn)之力（KN） 極限強(qiáng)度（MPa） 極限強(qiáng)度均值（MPa） 彈性模量（

8、GPa） 彈性模量均值（GPa）2.772.672.7125試件一 357.8805 29.07 81.228試件二 358.785 35.14 97.942試件三 120.274 15.54 129.2051121.0762.692.72 試件四 119.7004 20.988 175.33 3.有限元模擬仿真及分析對(duì)于鋁合金焊接件來(lái)說(shuō)，大多數(shù)簡(jiǎn)化了物理模型，不考慮焊縫的處理，而由前面的鋁合金拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)可推斷出，如果直接不考慮焊縫在有限元中直接求解，那將會(huì)有比較大的誤差。然而在大多數(shù)的時(shí)候，在有限元中常常使用一維rigid單元模擬焊點(diǎn)，rigid單元屬于剛性單元,它定義一個(gè)節(jié)點(diǎn)為

9、獨(dú)立的點(diǎn),其余各節(jié)點(diǎn)為非獨(dú)立的點(diǎn),由獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)連接非獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)而成。本次模擬仿真采用rigid單元模擬焊接件，并探討其模擬仿真的精度與實(shí)際的差別。 1  圖3.1 有限元仿真過(guò)程在有限元的仿真過(guò)程，對(duì)其焊縫間連接焊接單元，劃分單元大小為4的網(wǎng)格，賦予前面鋁合金強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)出的材料屬性，加載與實(shí)驗(yàn)條件一樣的約束。計(jì)算完畢在后處理查看結(jié)果。   圖3.2位移為4mm的應(yīng)力圖 圖3.3使用rigid單元仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較很明顯，從圖3.3可以看出，使用焊接單元模擬鋁合金焊接件的結(jié)果與實(shí)際的相差較大。 4.鋁合金焊接件模擬仿真精度研究

10、上章節(jié)利用焊接單元模擬焊接件結(jié)果差異巨大，究其原因就是沒(méi)有建立正確的有限元物理模型，由于鋁合金在焊接的過(guò)程中，由于近焊縫區(qū)域的母材也受到了電弧熱的作用，這部分母材的組織和性能均要發(fā)生變化，這個(gè)發(fā)生了變化的母材區(qū)域，稱為焊縫的熱影響區(qū)。在熱影響區(qū)的鋁材強(qiáng)度都有相應(yīng)的減少和軟化，因此要想精確的模擬出鋁合金強(qiáng)度位移變化曲線，必須在熱影響區(qū)建立正確的模型。 2   圖4.1 鋁合金焊接件有限元模型因此，我們?cè)诮５倪^(guò)程中，可以把焊接件的母材和熱影響區(qū)的焊塊劃分開(kāi)來(lái)。分別設(shè)置不同的材料屬性，利用已有的力位移曲線，反推焊接塊的材料屬性，最終擬合鋁合金焊接件的力位移曲線，如圖4

11、.2所示，得出正確的有限元仿真模擬。 3 圖4.2 焊接件有限元仿真計(jì)算方法第一次迭代模擬仿真，其中中間的焊接塊線性階段彈性模量設(shè)置為 1 Gpa，非線性階段彈性模量設(shè)置為0.4Gpa。結(jié)果如下圖4.3 有限元模擬仿真過(guò)程 圖4.4 仿真力位移曲線求出的線性階段的彈性模量為3.142Gpa. E=EexpEsimEexp=(3.142-2.7125)/2.7125=15%。仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在15%的誤差，再次調(diào)整彈性模量。使仿真曲線大致與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線基本吻合，可以認(rèn)為精度達(dá)到要求，最后一次的Esim作為焊接塊設(shè)置的彈性模量。經(jīng)過(guò)多次的計(jì)算驗(yàn)證，當(dāng)焊接塊線性階段的彈性模量為0.82

12、Gpa,非線性階段彈性模量為0.34Gpa時(shí)，可使曲線基本與實(shí)驗(yàn)曲線擬合。此時(shí)計(jì)算結(jié)果如下：   圖4.5 仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比圖 故E= EexpEsimEexp=(2.74622.7125)/2.7125=1.2%。精度符合要求。 5.結(jié)論一，鋁材來(lái)源于中山大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)中心實(shí)驗(yàn)室，焊接狀態(tài)與實(shí)驗(yàn)室焊接鋁架的狀態(tài)一樣。鋁合金焊接后，彈性模量下降到2.7125Gpa左右,是原來(lái)的3.97%。極限強(qiáng)度下降到121.076Mpa左右。平均是原來(lái)強(qiáng)度的36.8%左右，最低的強(qiáng)度是原來(lái)的24.7%，最高的強(qiáng)度是原來(lái)的53.2%。 鋁合金焊接后焊接部位出現(xiàn)軟化，強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。二，在這種的焊接狀態(tài)下，在做有限元分析的情況下，如果不考慮焊縫的處理，或者以焊接單元連接做處理，也將會(huì)給分析帶來(lái)極大的誤差。三，提出了鋁合金焊接件，焊接接頭的有限元計(jì)算方法，