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)

0 引言

扭力梁由于其结构简单、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。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。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)。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)。

图1 扭力梁

图2 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。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、分析周期太长。

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、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。

1 方法解析

1.1 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mm3。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3、图4)。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。

图3 实心圆截面模量

图4 空心方截面模量

1.2 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。

图5 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d、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、减小焊缝受力、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。

1.3 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40 mm，d=4 mm，L1=50 mm，L2=60 mm，α分别为20°、30°、40°、50°；为了方便计算，取横梁为∩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)。

图6 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2。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。

表1 整理的不同夹角截面尺寸

表2 图6所示截面的截面模量相关计算结果

1.4 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20°、30°、40°、50°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)。

图7 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3。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。

表3 图7所示截面的截面模量相关计算结果

2 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8、表4)。

图8 扭转试验

表4 试验要求和试验结果

按照上面的分析过程，先对加强板进行外形测量采样：宽为70 mm，d=4 mm，L1=74 mm，L2=84 mm，α=15.6°。根据横梁内侧空间情况，夹角α可以调整为26.5°。

为了便于计算，假设横梁为∩形，这样当加强板其他尺寸都不做调整只将夹角α由15.6°调整为26.5°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。

图9 加强板下压部分在垂直受力方向的截面实体面积变化

图10 加强板下压部分在垂直受力方向截面的壁厚变化

α/(°)B/mmb/mmH/mmh/mm截面模量W/mm3增加系数15.6706226.718.75793026.5706241.533.5107321.85

表6 图10的截面模量计算结果

可以看到：随着下压部分夹角α由15.6°调整为26.5°，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。

按这个分析手工制作26.5°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)。

表7 改进后试验结果

3 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、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。

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