摘 要

汽车车身的轻量化是未来汽车工业发展的主要趋势，同样也是减轻环境污染、解决能源消耗过快的重要手段。车身总成质量约占汽车总质量的40%，可见，对汽车车身的轻量化研究有助于实现汽车整体的轻量化。因此，在车身材料选择方面上采用高强钢代替传统钢板，另外，在车身成型方面上采用先进的激光焊接代替传统焊接方式。本论文的目的主要是研究高强钢作为车身主要制造材料时的激光焊接过程，通过运用有限元法仿真出焊接的温度场和应力场，对其各自的分布特点以及变化规律进行分析，并且讨论了激光功率这一工艺参数是如何影响焊接结果的。本论文的内容有：

（1）建立了“速腾”白车身的三维几何模型，对车身和车尾焊接部位进行了简化，在ANSYS软件中进行了有限元建模，并划分了网格，设置了有关的物理参数。利用APDL语言进行编程，实现了热源按预定焊接路线的移动以及焊缝的有序生成。

（2）选取高斯热源模型，模拟了DP600高强钢的激光焊接过程，讨论了温度场、应力场以及焊接熔池的变化及特点。焊接过程中的熔池形貌较为理想，大致呈现为倒梯形，焊缝最高温度可达2500℃，工件完全焊透，而且焊接的热影响区域范围小。

（3）另外，仅改变焊接功率这一参数，分别模拟了不同功率下的焊接过程，以探究焊接功率对焊接熔池、温度场、应力场的影响。结果表明，随着焊接功率的增大，焊缝温度逐渐升高，熔池尺寸逐渐增大，焊缝应力逐渐减小，且均在屈服极限内。

关键词：汽车车身轻量化；高强钢；激光焊接；温度场；应力场

Abstract

The weight of the automobile body is the main trend of the future development of the automobile industry. It is also an important means to reduce the environmental pollution and solve the energy consumption.Body assembly quality accounts for about 40% of the total mass of the car, it can be seen that the lightweight research of the car body to help achieve the overall lightweight vehicle. Therefore, in the body material selection on the use of high-strength steel instead of traditional steel, in addition, in the body shape on the use of advanced laser welding instead of traditional welding methods.The purpose of this paper is to study the laser welding process of high strength steel as the main manufacturing material of the vehicle body. The finite element method is used to simulate the temperature field and stress field of the welding. The distribution characteristics and the variation regularity of the high strength steel are analyzed. The laser power of this process parameter is how the welding results are affected. The contents of this paper are:

（1）The three - dimensional geometric model of "Sagitar" white body was established, and the welding parts of the body and the rear were simplified. The finite element modeling was carried out in ANSYS software, and the grid was set up and the relevant physical parameters were set up. Using APDL language programming, to achieve the heat source according to the scheduled welding line movement and the orderly generation of welds.

（2）The Gaussian heat source model was selected to simulate the laser welding process of DP600 high strength steel. The changes and characteristics of temperature field, stress field and welding pool were discussed. The molten bath is ideal in the process of welding, which is roughly inverted, the maximum temperature of the weld can reach 2500 ℃, the workpiece is completely welded, and the heat affected area of the welding is small.

（3）In addition, only change the welding power of this parameter, respectively, simulated the welding process under different power to explore the welding power on the welding pool, temperature field, the impact of stress field. The results show that with the increase of welding power, the weld temperature gradually increases, the bath size gradually increases, the weld stress decreases, and are within the yield limit.

Key words: automotive body lightweight; high strength steel; laser welding; temperature field; stress field.

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1汽车车身轻量化研究的背景及意义 1

1.2汽车车身轻量化的重要实现方法 4

1.3汽车车身轻量化的研究现状 5

1.3.1轻量化材料在汽车车身轻量化研究中的应用 5

1.3.2国外汽车轻量化研究现状 9

1.4制约汽车车身轻量化研究的因素 10

1.5激光焊接技术在汽车轻量化研究中的优势 11

1.6本文主要研究内容 11

第二章 车身轻量化设计理论基础和方法 12

2.1激光焊接技术概述 12

2.1.1激光焊原理 12

2.1.2激光焊熔透状态 14

2.1.3激光焊焊缝的形成及特点 14

2.1.4激光焊的特点及在汽车工业的应用 15

2.2有限元基本理论 16

2.2.1有限元基本理论概述 16

2.2.2有限元的分析步骤 16

2.3有限元分析软件ANSYS 17

2.3.1ANSYS软件主要模块 18

2.3.2生死单元技术 18

2.4 激光焊接温度场的有限元理论 18

2.4.1激光焊接温度场的基本方程 18

2.4.2 激光焊接温度场的热传导的控制方程 19

2.4.3 激光焊接热源模型的选取 20

2.5焊接热应力的有限元理论 22

2.5.1焊接热应力的计算准则 22

2.5.2焊接热弹性、塑性的有限元分析方法 22

2.6本章小结 24

第三章 有限元模型的建立 25

3.1引言 25

3.2有限元几何模型的建立 25

3.2.1 车身建模 25

3.2.2 激光焊接部位的选择 26

3.3热源模型的选取 27

3.4有限元模型的前处理 27

3.4.1 划分网格 28

3.4.2 焊接模拟分析的基本假设 29

3.4.3 边界条件 30

3.4.4 材料的热物理属性 30

3.4.5焊接温度场的的计算模型 32

3.4.6 热源加载和求解设置 33

3.5 本章小结 34

第四章 DP600激光焊接模拟结果分析 35

4.1 DP600高强钢激光焊接温度场的仿真结果分析 35

4.1.1 DP600高强钢激光焊接过程中温度场云图结果分析 35

4.1.2 DP600激光焊接冷却后温度场云图结果分析 37

4.1.3 焊接中心线上各节点的温度变化情况分析 38

4.1.4 焊接中心线的垂直线上各节点温度变化情况分析 40

4.1.5 焊接过程中某时刻工件纵向切面的温度分布 41

4.2工艺参数对DP600高强钢激光焊接模拟的影响 42

4.2.1激光功率对焊接熔池的影响 42

4.2.2激光功率对温度场的影响 44

4.3 DP600高强钢激光焊接应力场的仿真结果分析 46

4.3.1应力场的计算方法 46

4.3.2应力场的仿真结果分析 47

4.3.3 纵向应力和横向应力分析 48

4.4 激光焊接功率对DP600焊接模拟应力场的影响 50

4.4.1 焊接功率对焊缝纵向应力的影响 50

4.4.2焊接功率对焊缝横向应力的影响 50

4.5本章小结 52

第五章 总结与展望 53

5.1总结 53

5.2展望 53

参考文献 55

附录1激光焊接温度场的数值计算命令流 58

附录2激光焊接应力场的数值计算命令流 68

致谢 71

第一章 绪论

1.1汽车车身轻量化研究的背景及意义

1913年，美国汽车工程师与企业家Henry Ford首先使用流水线的生产方式来大批量生产汽车，将其引入到汽车装配生产中，从而将生产率比原先提高了十几倍，也正得益于这种流水化生产方式，使其T型福特车售价大大降低。这种生产方式使汽车成为一种大众产品进入到了千家万户，革命了生产方式，拉开了现代汽车工业向上蓬勃发展的帷幕。目前，汽车也成为全球经济重要支柱产业，与材料、电子、机械制造等产业息息相关。在某个程度上汽车工业的整体水平越来越可以代表机械制造业的高端水平。近年来，全球汽车市场表现强劲，产销量与日俱增，根据中商产业研究院整理，2016年全球汽车产销量分别为9497.66万辆和9385.64万辆，增速分别为4.5%和4.7%（如图1.1、1.2所示）。