改善扭力梁横梁内加强板焊缝开裂的截面模量解析方法

收稿日期：２０１７－１１－０１
作者简介：蔺小轩，男，工程师，研究方向为商用车随动及驱动桥总成㊁乘用车后扭力梁及前后副车架的设计优化及工艺技术方案㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｎｘｉａｏｘｕａｎ１２０３＠ｓｉｎａ ｃｏｍ㊂
ＤＯＩ：１０ １９４６６／ｊ ｃｎｋｉ １６７４－１９８６ ２０１８ ０３ ００６
改善扭力梁横梁内加强板焊缝开裂的截面模量解析方法
蔺小轩，韩吉祥，陈衍标，姚海峰
（柳州五菱汽车工业公司技术中心，广西柳州５４５０２７）
摘要：针对如何改善扭力梁横梁内加强板焊缝开裂的问题，除了优化焊接参数㊁利用ＣＡＥ分析优化结构外，还可以结合截面模量的理论从结构力学角度进行优化结构受力的计算解析，从而优化结构设计㊁减小焊缝受力㊁提高扭转台架疲劳次数，并在实际案例中进行验证㊂
关键词：加强板；焊缝开裂；截面模量解析方法；优化设计
中图分类号：Ｕ４６３ ３２㊀文献标志码：Ａ㊀文章编号：１６７４－１９８６（２０１８）０３－０２９－０４
ＡＳｅｃｔｉｏｎａｌＭｏｄｕｌｕｓＡｎａｌｙｔｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｆｏｒＩｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅＷｅｌｄ
ＣｒａｃｋｏｆＳｔｉｆｆｅｎｉｎｇＰｌａｔｅｉｎＴｏｒｓｉｏｎＢｅａｍ
ＬＩＮＸｉａｏｘｕａｎ，ＨＡＮＪｉｘｉａｎｇ，ＣＨＥＮＹａｎｂｉａｏ，ＹＡＯＨａｉｆｅｎｇ
（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｅｎｔｅｒｏｆＬｉｕｚｈｏｕＷｕｌｉｎｇＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｍｐａｎｙ，ＬｉｕｚｈｏｕＧｕａｎｇｘｉ５４５０２７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｅｓｏｌｖｅｔｈｅｗｅｌｄｃｒａｃｋｏｆｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｂｅａｍ ｓｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｐｌａｔｅ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄ
ｕｓｉｎｇＣＡＥｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｂｅａｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｌｓｏｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｕｓｔｈｅｏｒｙｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｒｏｍｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓｖｉｅｗｓｏａｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｗｅｌｄｉｎｇｓｔｒｅｓｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｂｅａｍｂｅｎｃｈｔｅｓｔ ｓｆａｔｉｇｕｅ．Ａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｗａｓａｌｓｏｖｅｒｉｆｉｅｄｉｎａｃｔｕａｌｃａｓｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇｐｌａｔｅ；Ｗｅｌｄｃｒａｃｋ；Ｓｅｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｕｓａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ
０㊀引言
扭力梁由于其结构简单㊁易于制造的特点是现在大多数经济型乘用车普遍采用的一种半独立后悬架技术㊂在车辆运行过程中，纵臂虽然上下运动幅度较大，但由于纵臂一端通过衬套管内的橡胶件与车架非刚性连接，另外一端通过车轮支架与车轮连接，当车轮上下跳跃时，两侧纵臂大多以各自衬套为中心做相反方向的整体运动，车轮所受的地面作用力大部分通过横梁的扭转来消化㊂也就是说纵臂与横梁交接处的横梁截面部分受扭力最大，也是扭力梁结构常见的一处薄弱点（见图１）㊂为了增强横梁此处的扭转刚度，设计上常常在横梁内侧添加一块加强板，但扭力梁扭转试验中常出现问题的地方是在横梁内加强板上末端的焊缝处（见图２
）㊂
图１㊀
扭力梁
图２㊀加强板开裂
一般认为此处的焊缝应力太过于集中，解决办法除了优化焊接参数减少焊接缺陷外，最常采取的则是通过ＣＡＥ分析改善加强板的结构设计，提高加强板的加强效果，减小开裂焊缝处的焊缝受力㊂这个过程也会产生另外一个问题，即ＣＡＥ分析需要其他专业人员进行且建模复杂㊁分析周期太长㊂
其实也可以采用材料力学方面的截面模量理论对横梁加强板有针对性地进行计算分析，从而找出优化结构㊁减小焊缝受力的办法，并且这个过程不需要其他ＣＡＥ专业人员，一般工程师都可独立完成㊂
１㊀方法解析
１ １㊀截面模量的概念及关注点
截面模量是构件的一种截面几何参量，用来计算构件的抗
弯强度和抗扭强度，符号Ｗ，单位ｍｍ３㊂截面模量的关注点主要是与构件垂直受力方向截面的实体面积变化和壁厚变化，如果这个方向的实体面积和壁厚越大则构件的截面模量越大，其抗弯抗扭能力越大（见图３㊁图４）㊂相应地如果这个构件是焊接件，则随着截面模量的增大，焊缝的受力就会减小，也就是说减小了构件焊缝的应力集中
㊂
图３㊀
实心圆截面模量
图４㊀空心方截面模量
１ ２㊀横梁内加强板简化分析
横梁内加强板可以转化为图５所示的简化结构，其中平直
部分的长度Ｌ１一般在设计时已考虑了横梁的最大受扭力位置，如果零件壁厚ｄ没有变化，则在垂直受力方向的截面一般不会有大的变化，所以这里不作重点分析
㊂
图５㊀简化的加强板
下压部分与平直部分有个α的夹角，长度Ｌ２取决于夹角
及横梁的内部空间，这里重点分析在壁厚ｄ㊁长度Ｌ２已设计好的情况下扭力梁扭转试验如果出现图２所示焊缝的开裂现象，
利用截面模量的分析方法如何调整夹角α来优化加强板的加强效果㊁减小焊缝受力㊁减小焊缝处应力集中，从而提高整个扭力梁的扭转台架试验次数㊂
１ ３㊀不同夹角α时加强板下压部分垂直受力方向截面的实体面积变化
假设加强板宽为４０ｍｍ，ｄ＝４ｍｍ，Ｌ１＝５０ｍｍ，Ｌ２＝
６０ｍｍ，α分别为２０ʎ㊁３０ʎ㊁４０ʎ㊁５０ʎ；为了方便计算，取横
梁为ɘ形，这样加强板在垂直受力方向的截面简化为空心方截面形式（见图６
）㊂
图６㊀不同夹角截面
对以上数据根据图４所列尺寸进行整理，列入表１；根据图４里的公式进行不同夹角时加强板下压部分的截面模量计算，列入表２㊂从中可看到：当加强板下压部分的夹角适当变大时，垂直受力方向截面的实体面积和截面模量也在增大，即其抗弯抗扭能力在增大，相应地下压部分尖角处的焊缝受力会相应减小，焊缝应力集中问题得到改善㊂
表１㊀整理的不同夹角截面尺寸
α／（ʎ）Ｂ／ｍｍｂ／ｍｍＨ／ｍｍｈ／ｍｍ２０４０３２２４．３１６．３３０４０３２３３．５２５．５４０４０３２４１．６３３．６５０
４０
３２
４８．５
４０．５
表２㊀图６所示截面的截面模量相关计算结果
α／（ʎ）截面模量Ｗ／ｍｍ３
与２０ʎ截面比增加系数后截面与前截面比增加系数
２０２９８６０
０
３０
４８４２１．６２１．６２４０６６７４２．２３１．３８５０
８３７７
２．８１．２５
１ ４㊀不同夹角α时加强板下压部分垂直受力方向截面的壁厚变化
继续以第１ ３节里的加强板为研究对象，将夹角α分别为
２０ʎ㊁３０ʎ㊁４０ʎ㊁５０ʎ时的垂直受力方向截面的壁厚变化简化为实心圆截面形式（见图７
）㊂
图７㊀不同夹角壁厚
对以上数据根据图３所列尺寸进行整理，并根据所列公式进行不同夹角截面壁厚时相应截面模量的计算，列入表３㊂可看到：当加强板下压部分的夹角适当变大时，垂直受力方向截面的壁厚和截面模量也在增大，即其抗弯抗扭能力在不断增大，相应地下压部分尖角处的焊缝受力会相应减小，焊缝应力
集中问题得到改善㊂
表３㊀图７所示截面的截面模量相关计算结果
α／（ʎ）ｄ／ｍｍ截面模量Ｗ／ｍｍ３
与２０ʎ截面比增加系数后截面与前截面比增加系数
２０４．３７．５０
０
３０４．６９．６
１．２３１．２３４０５．２１３．８１．７７１．４５５０
６．２
２３．４
３１．６９２　实例验证
公司１８０Ｘ系列开口扭力梁在设计封样后按照行业扭转台架试验标准可以达标，但按照公司扭转台架试验标准长期不能达标（稍严于行业标准），且失效位置较为固定，都在横梁内侧左右加强板末端的焊缝处开裂（见图８㊁表４
）㊂
图８㊀扭转试验
表４㊀试验要求和试验结果
α／（ʎ）
试验项目
要求实际循环次数时间失效表现１５．６
扭转疲劳
扭转幅
度４．５５ʎ，大于１７．５万次焊缝不开裂
１７４４８４１６９６６３１４３７１０１５１５３９１３９９７７
２０１７．０４．１９２０１７．０５．０８２０１７．０７．１１２０１７．０７．１３２０１７．０８．０３
加强板未焊缝开裂加强板未焊缝开裂加强板未焊缝开裂加强板未焊缝开裂加强板未焊缝开裂
㊀㊀按照上面的分析过程，先对加强板进行外形测量采样：宽为７０ｍｍ，ｄ＝４ｍｍ，Ｌ１＝７４ｍｍ，Ｌ２＝８４ｍｍ，α＝１５ ６ʎ㊂根据横梁内侧空间情况，夹角α可以调整为２６ ５ʎ㊂
为了便于计算，假设横梁为ɘ形，这样当加强板其他尺寸都不做调整只将夹角α由１５ ６ʎ调整为２６ ５ʎ时加强板下压部分在垂直受力方向的截面实体面积变化简化为图９，在垂直受力方向截面的壁厚变化简化为图１０；相应各自的截面模量计算对照情况列入表５和表６
㊂
图９㊀
加强板下压部分在垂直受力方向的截面实体面积变化
图１０㊀加强板下压部分在垂直受力方向截面的壁厚变化
表５㊀图９的截面模量计算结果
α／
（ʎ）Ｂ／
ｍｍｂ／
ｍｍＨ／
ｍｍｈ／
ｍｍ截面模量Ｗ／ｍｍ３增加系数
１５．６
７０６２２６．７１８．７５７９３
０
２６．５
７０６２４１．５
３３．５
１０７３２１．８５
表６㊀图１０的截面模量计算结果
α／（ʎ）ｄ／ｍｍ截面模量Ｗ／ｍｍ３增加系数
１５．６４．１５７０
２６．５４．４７８．７６１．２５
可以看到：随着下压部分夹角α由１５ ６ʎ调整为２６ ５ʎ，垂直受力方向的实体面积和壁厚都相应增大，对应的截面模量也在增大，这些有助于提高加强板的抗弯抗扭能力，减小加强板尖端焊缝的受力，有助于提高整个扭力梁的扭转台架疲劳次数㊂
按这个分析手工制作２６ ５ʎ加强板样件并焊接扭力梁总成两根，忽略掉有焊接缺陷的一根扭力梁，重点观察没有焊接缺陷的一根扭力梁扭转台架试验情况，结果在相同的试验条件下扭转疲劳２３ ３６万次加强板焊缝才出现了裂纹，验证成功（见表７）㊂
表７㊀改进后试验结果
α试验项目要求实际循环次数时间失效表现
２６．５ʎ扭转
疲劳
扭转幅
度４．５５ʎ，
大于１７．５
万次焊缝
不开裂
２３３６１４２０１７．０８．３１
完成
２３３６１４
次出现
裂纹
３㊀总结
对于扭力梁横梁内侧加强板焊缝开裂问题，不用局限只调
整焊接参数，可以借助截面模量理论对构件进行结构力学分
析，从而找到优化设计㊁减小焊缝受力的方案，也减轻了ＣＡＥ
工程师的工作负担，缩短了因建模所需的长工作周期，提高了
工作效率㊂
参考文献：
［１］高晋，杨秀建，牛子孺，等．扭转梁悬架性能影响因素分析［Ｊ］．江
苏大学学报（自然科学版），２０１４，３５（６）：６２７－６３４．
ＧＡＯＪ，ＹＡＮＧＸＪ，ＮＩＵＺＲ，ｅｔａｌ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ
ＴｗｉｓｔＢｅａｍＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１４，３５（６）：６２７－６３４．
［２］张伟，范晓轩，赵永昌，等．轿车扭杆梁后桥硬点设计方法［Ｊ］．沈
阳大学学报（自然科学版），２０１４，２６（３）：２５０－２５４．
ＺＨＡＮＧＷ，ＦＡＮＸＸ，ＺＨＡＯＹＣ，ｅｔａｌ．ＨａｒｄＰｏｉｎｔＤｅｓｉｇｎｏｆＴｗｉｓｔ
ＢｅａｍＲｅａｒＡｘｌｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ
Ｓｃｉｅｎｃｅ），２０１４，２６（３）：２５０－２５４．
［３］卢建湘．漫谈构件的截面几何量与截面形状［Ｊ］．闽西职业大学
学报，２００１（１）：８１－８２．
［４］杨丽群，戴声良．扭转梁的刚度和疲劳实验方法研究［Ｊ］．宿州学
院学报，２０１６，３１（５）：１１２－１１５．
［５］中国机械工程学会焊接学会．焊接手册［Ｍ］．北京：机械工业出
版社，１９９２．
［６］王俊起．圆环形截面定位焊缝惯性矩及抗弯截面模量计算公式
［Ｊ］．焊接，１９８３（５）：１４－１６．
２０１８塑料行业 荣格技术创新奖揭晓获奖名单
㊀㊀２０１８年３月７日， ２０１８塑料行业 荣格技术创新奖 颁奖典礼暨庆祝晚宴在上海宝华万豪酒店隆重举行㊂百余位获奖企业代表㊁协会领导㊁荣格塑料峰会参会观众㊁行业媒体等业内人士齐聚一堂，共同分享㊁见证创新产品及技术给塑料行业带来的深刻变化㊂今年，报名产品涵盖塑料原材料及添加剂㊁橡胶／弹性体及添加剂㊁注塑技术㊁挤／吹技术㊁模具及配件㊁主机零部件㊁辅助设备㊁计量与检测㊁自动化㊁回收设备及其他共１１项类别，最终有３５个创新产品获得评委和大众认可，荣获 创新奖 称号㊂其中，２３家企业是首次获得此项荣誉㊂荣格工业传媒总裁马国熙先生致开幕词时说道： ２０１８年对荣格意义重大㊂今年不仅是荣格塑料创新奖评选进入第１３个年头，而且也是荣格进入塑料行业的２０周年㊂在过去的２０年里，中国塑料行业发生了巨大的变化，从关注成本到质量先行，从大批量生产到追求产品和服务的高附加值，在某种程度上，由于基础设施的高速发展 特别是高铁网的全面覆盖，整个产业也完成了从华南㊁华东的局部密集布局向全国布局的转变㊂
最近几年，中国塑料产业进入了转型升级的关键时期，消除落后产能，提高产品品质并优化产业结构成为行业发展的重要内容㊂在汽车㊁医疗㊁家电㊁电子电气㊁包装㊁建筑和玩具等下游市场稳步发展的推动作用下，塑料行业的技术革新不断加快，涌现出一批极具市场发展前景的新材料㊁新工艺和新装备㊂从获奖类别来看，塑料原材料及添加剂类别呈现出一贯的白热化竞争状态，所有的获奖产品都是优中选优，在国家大力提倡环保的政策下，众多企业积极研发并推出了绿色环保材料㊂除此之外，材料在具体应用领域的创新也不可忽视㊂注塑技术㊁挤出／吹塑技术等类别，各路产品也是强强对抗，力求设备运行更稳定，从而更加高速㊁高效和节能㊂随着人们对环保技术的关注，回收设备类别也吸引了评委们的极大关注㊂乘着工业４ ０的东风，众多智能化设备和平台也一应涌入大众视野㊂值得一提的是，为表彰和鼓励在每一项创新产品㊁技术背后默默付出的英雄们，荣格还设置了 年度创新团队 奖，颁发给得票最高的一项技术㊂今年陶氏包装与特种塑料的
ＩＮＴＵＮＥＴＭ相溶剂用于创新型聚烯烃多层管获得评委和用户的一致好评，赢得了 年度创新团队 的称号㊂
（来源：俞庆华）。