Разработка методики проектирования несущих систем колесных машин, выполненных с использованием сварных точечных и клеесварных соединений

В данной работе основное внимание уделено кузовам легковых автомобилей и способам сборки штампованных деталей в единую конструкцию кузова — точечной сварке и клеесварному соединению.

В настоящее время основным способом соединения кузовных деталей в единый кузов автомобиля является контактная точечная сварка. Число сварных точек в кузове легкового автомобиля может составлять от 3000 до 5000 штук. Основная часть сварных точек при этом (до 95%) приходится на каркас кузова — рис. 1.1 («черный кузов», «Ьос1у-т-у11Йе»).

Рис. 1.1. Каркас кузова легкового автомобиля.

Достоинством точечной сварки является то, что сборка крупногабаритных узлов кузова в единую конструкцию проводится на автоматизированной конвейерной линии с использованием роботов, осуществляющих процесс точечной сварки без участия человека. Этот способ обеспечивает большую производительность, стабильное качество и относительную дешевизну получения сварных соединений. Типовые сечения силовых элементов конструкции кузова с отбортованными фланцами для соединения точечной сваркой показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Типовые сечения силовых элементов кузовных конструкций несущих систем колесных машин: а) по верхнему переднему порогу крышиб) по заднему лонжеронув) по порогу заднего полаг) по боковому порогу среднего полад) по верхнему боковому поясу крышие) по переднему лонжеронуж) по среднему лонжеронуз) по корневой части переднего лонжеронаи) по передней нижней стойке боковинык) по переднему нижнему порогу боковиныл) по средней стойке боковиным) по передней рамке радиаторан) по корневой части боковой стойки боковины.

Максимальный шаг сварных точек на фланцах соединяемых деталей выбирается в основном из соображений отсутствия местной потери устойчивости на фланцах (не более 80- 100 мм). Минимальный шаг выбирается из условия отсутствия шунтирования тока через соседнюю сварную точку и составляет около 35 мм для сварной точки диаметром 5.5 мм при толщине свариваемых деталей от 0.8 до 2 мм. Данные толщины штампованных деталей и диаметр сварной точки являются наиболее характерными для конструкций кузовов легковых автомобилей. Конкретный шаг сварных точек обычно назначается из опыта конструкторских наработок и результатов расчетов кузова на прочность.

Точечная сварка как вид соединения имеет ряд недостатков, и в ряде случаев не способна обеспечить соответствие всем предъявляемым требованиям к кузовным конструкциям. Основные недостатки точечной сварки следующие:

— недостаточная долговечность сварных конструкций;

— сильная подверженность коррозии соединяемых фланцев деталей;

— негерметичность соединения, что приводит к коррозии не только самого соединения, но и к коррозии в скрытых полостях кузова.

Первые два недостатка обуславливаются неблагоприятным напряженно-деформированным состоянием (НДС) сварного шва: высокие концентрации напряжений около сварных точек, третий недостаток является следствием неизбежного наличия технологического зазора между соединяемыми фланцами, в который проникает влага, грязь, создавая коррозионно-активную среду.

Клеесварное соединение тонкостенных кузовных деталей по сравнению с существующей контактной точечной сваркой имеет несколько преимуществ:

— высокая долговечность клеесварного соединения;

— лучшая герметичность;

— высокая коррозионная стойкость соединения;

— лучшие шумои виброизоляционные качества.

Герметичность соединения понимается прежде всего как непроникновение влаги в закрытые полостив клеесварном соединении такое явление исключается.

Несущая способность клеесварного шва выше, чем сварного шва без клея, вследствие чего возможно уменьшение количества сварных точек, уменьшение диаметра сварной точки, уменьшение минимальной ширины фланца.

К недостаткам соединений с применением клеевых материалов следует отнести непостоянство во времени характеристик клеевого швастарение клеевого материала и некоторое удорожание конструкции.

Тем не менее, клеесварные соединения до сих пор не имеют широкого применения в автомобильной промышленности не только из-за некоторого повышения стоимости кузовных конструкций, но и из-за отсутствия значимой экспериментальной базы и практичных методов их расчета.

Проблема применения клеесварного соединения в кузовных конструкциях актуальна и ставит перед собой множество задач, решение которых позволит разрабатывать и производить кузовные конструкции, соответствующие современным требованиям. С точки зрения процесса проектирования кузовных конструкций к таким задачам можно отнести:

— получение экспериментальных данных о характеристиках клеев, используемых в клеесварных соединениях, пригодных к применению в массовом производстве;

— исследование влияния клеевого слоя на локальное напряженно-деформированное состояние сварной точки;

— разработка методов расчета клеесварных соединений.

Таким образом, применение оптимально построенных сварных точечных и клеесварных соединений в кузовных конструкциях несущих систем колесных машин позволяет значительно повысить такие их качества как жесткость, прочность, долговечность и др. при одновременном снижении издержек производства. Поэтому разработка эффективных методов расчета таких соединений с целью их оптимального проектирования, в том числе на ранних стадиях проектирования, является актуальной задачей.

Основное содержание работы представлено в четырех главах.

В первой главе проведен обзор литературы, посвященной расчетным методам исследования НДС кузовных конструкций автомобилей. Приведено описание основных решаемых задач и используемых численных моделей при проектировании кузова легкового автомобиля. Дано обоснование I использования генетического алгоритма для решения задачи оптимального проектирования сварного точечного соединения.

Во второй главе проведено исследование влияния клеевого слоя на локальное НДС сварной точки в клеесварном соединении с использованием КЭ-моделирования. Приведены сравнения полученных результатов расчетов с известными решениями и экспериментальными данными, полученными из литературных источников. Рассмотрены существующие и построены новые упрощенные КЭМ сварного и клеесварного соединения, пригодные для использования в расчетах общего НДС кузовных конструкций. Дан анализ преимуществ и недостатков каждой из рассмотренных моделей.

В третьей главе рассмотрены описанные выше упрощенные КЭМ сварного точечного и клеесварного соединения при расчетах конструктивно подобной лонжерону балки, боковины и ниши запасного колеса заднего пола легкового автомобиля. Каждый из рассмотренных расчетов сравнен с экспериментальными данными, сделаны выводы о точности и адекватности воспроизведения НДС сварных точек и конструкций в целом.

В четвертой главе изложена методика оптимального проектирования сварных точечных соединений в кузовных конструкциях автомобилей с использованием генетического алгоритма. Сформулированы требования к используемым моделям и принципы их построения. Решены тестовые задачи оптимизации. Приведены примеры практического использования генетического алгоритма для оптимизации расположения сварных точек на фланцах боковины и ниши запасного колеса заднего пола легкового автомобиля.

По результатам работы делались доклады на кафедре «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана и в отделе математического моделирования и расчетов ОАО «АвтоВАЗ». Сделаны доклады на конференциях: 70-летия кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н. Э. Баумана 2006; 65-летия факультета «Специальное Машиностроение» МГТУ им. Н. Э. Баумана 2005; международном симпозиуме «Проектирование колесных машин», посвященном 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Разработана методика проектирования сварных точечных и клеесварных соединений кузовных конструкций колесных машин, включающая в себя:

— выбор рациональных КЭМ сварного и клеесварного соединения;

— определение НДС сварного и клеесварного шва, нагруженности сварной точки в составе кузовной конструкции;

— алгоритм оптимального расположения сварных точек на фланцах кузовов.

2. Определено влияние клеевого слоя на НДС сварной точки: клеевой слой снижает максимальные напряжения в сварной точке в 3−10 раз в зависимости от его модуля упругостинапряжения в сварной точке увеличиваются с ростом толщины клеевого слоя.

3. Проведен сравнительный анализ существующих упрощенных КЭМ сварного точечного и клеесварного соединения разного уровня. Все рассмотренные модели сварных точек позволяют воспроизвести деформированное состояние кузовных конструкций с погрешностью не более 10% на малых нагрузках и 20% на максимальных нагрузках. Наиболее высокой точностью 3−5% при малых нагрузках (линейные статические расчеты) обладают модели сварных точек: связь «элемент-элемент» и объемный элемент с наложенными интерполяционными связями на узлы фланцев. При больших нагрузках (расчеты с учетом физической нелинейности) наиболее высокую точность по перемещениям 3−12% имеют «точечные» модели сварных точек: жесткая и балочная связь узлов и объединение узлов фланцев.

4. Все упрощенные модели недостаточно точно воспроизводят напряженное состояние сварной точки из-за большого размера конечного элемента, сопоставимого с диаметром сварной точки. Для точного анализа НДС сварной точки, в том числе в составе клеесварного соединения, рекомендуется использовать построенную в данной работе подробную КЭМ сварной точки (погрешность по напряжениям 5−10%).

5. Разработана постановка и предложено решение задачи оптимального расположения сварных точек на фланцах деталей кузовных конструкций на основе рассмотренных моделей сварных точек. Оптимизация расположения сварных точек построена с использованием генетического алгоритма.

6. Осуществлена программная реализация предложенного алгоритма оптимизации. Результаты ее практического применения позволили предложить сокращение количества сварных точек в конструкции боковины легкового автомобиля на 24,6%- в конструкции ниши запасного колеса — на 40%.

7. Методика оптимизации расположения сварных точек на кузовных конструкциях автомобилей пригодна для использования на кузовах легковых автомобилей, автобусов, кабинах грузовых колесных машин и других тонкостенных кузовных конструкциях автомобилей, в которых применяется точечная сварка как основной вид соединения.