激光-电弧复合焊接设备结构模型轻量化设计技术研究

刘迎春武大伟苏长青

（沈阳航空航天大学辽宁沈阳122000）

摘要：本文从激光-电弧复合焊接设备结构模型轻量化设计思路入手，对焊接设备结构轻量化研究背景进行了分析，通过模型的建立和分析过程、网格划分过程以及约束和加载过程对激光-电弧复合焊接设备中base板材料换用设计进行了研究，最后对其结构设计原则进行了讨论。

关键词：激光-电弧复合焊接设备；轻量化；结构模型

随着我国经济的发展，社会科学和基础加工基础不断实现技术突破，我国的机械制造业近年来如雨后春笋般蓬勃发展。如今，全世界范围都崇尚环境保护的理念，节约能源减少排放、降低能耗提高效率已经成为各个生产加工企业关注的焦点问题。轻量化问题逐渐受到汽车制造领域和机械加工领域的广泛关注，很多国家都投入大量的科研经费用于解决生产过程中的轻量化问题。目前已经较为成熟的轻量化思路有两个，其一是采用轻量化的材料替代汽车或者机械结构中的钢板，其二是通过设备结构的优化以减轻没有必要的结构重量。材料替代法在目前的机械加工领域主要以采用高强度钢板为主要手段，高强度钢板的使用提高了设备的使用强度，为设备服役期间的安全性增加了砝码。原有较厚钢板的减薄替换也降低了机械结构的重量，使设备所承受的负载降低，对于工作效率的提升起到了至关重要的作用。往往在进行材料替换或者结构轻量化设计时要对其结构强度进行计算机仿真，以模拟出结构的强度，判断所进行的结构设计或者技术更改是否具有安全性。

1激光-电弧复合焊接设备结构模型轻量化研究背景

本文以某公司的激光-电弧复合焊接工作站为例，对激光-电弧复合焊接设备结构模型轻量化设计技术进行研究，该公司的焊接工作站主要负责汽车零部件以及汽车结构件的焊接工作，目前，该公司的焊接工作站中承载焊接夹具设备的电机、转台等部件负载过大，导致焊接夹具配套设备维修频率提高，维修及更换费用增大，工作效率降低。经分析主要是因整套焊接夹具重量偏重，配套设施不堪负荷，需要对其进行轻量化设计。其中base板是整个焊接夹具质量最大的部分，也是进行设计改进最可行的部分。本文基于焊接夹具中base板轻量化要求，主要从base板材料的换用、结构的改进两个方面考虑，通过计算机仿真实现其轻量化设计，并将最终设计运用于实际生产。

2激光-电弧复合焊接设备中base板材料换用设计

2.1模型的建立和分析

用于激光-电弧焊接设备的Base板计算机模型建立主要借助于两个软件来完成，分别是SolidWorks和ANSYS，SolidWorks用于Base板的计算机模型建立，ANSYS用于模型建立之后的计算机仿真工作。整个激光-电弧复合焊接设备的操作台核心结构件是Base板，还有方管和下平台板等其他结构件。对上述激光-电弧复合焊接设备中的零部件进行分别建模后装配，而后进行计算机仿真。本文所述的激光-电弧复合焊接设备主体材料是屈服极限值为235兆帕的普通碳素结构钢，在ANSYS计算机仿真软件中选择与之相对应的材料模型。

2.2网格划分

用于激光-电弧焊接设备的Base板网格划分环节采用有限元的分析方法，有限元的分析思路是将完整的结构变得离散化，通过对简单单元的描述来完成复杂设计对象的表达，因为简单单元的数量是有限的，因此有限单元之间的连接节点也是有限的。鉴于此，在有限元的分析过程中，务必要考虑两个类型问题的准确表达，第一个类型问题是如何进行几何形状的表达，第二个类型问题是如何实现变形梯度的表达。除了几何形状和变形梯度之外，网格划分还需要注意网格的密度，当网格密度过大时，计算工作量和计算时间都会显著增加，然而计算的精确度并不会随着这种计算量的增加而线性提高。因此综合各方面原因，对模型节点数设置为36518较为合适，单元数设置为10654。

2.3约束和加载

在进行加载模拟之前应该进行材料的约束，板材两端加载受力支撑是一个必要的环节，这个环节可以给板材施加相对应的径向力，这种径向力的施加为板材提供了强有力的约束。还需要进行的是受力区域的限定和受力大小的规定，因该板材之上原有的机械结构零部件就具有一定的重量，因此在确定其载荷大小时应该加入此机械结构零部件的重量大小。

2.4结果与讨论

经过材料的更换后，本文所述板材材料由Q235普通碳素结构钢转变为Q690调质态高强度低合金钢板，更换材料后板材的屈服强度显著提高，由原有的235兆帕提升至超过700兆帕，在强度和韧性方面都要比原有材料优势明显，这种材料强度、韧性的提高为后续的板材减薄工作奠定了坚实的基础。通过对激光-电弧复合焊接设备的Base板材料受力情况进行计算机模拟后得知，因为设备的结构并没有发生改变，因此模拟所得到的受力范围和受力区域基本没有发生为之改变和范围改变，通过计算机模拟出的等效应力和计算机模拟出的等效变形量却出现了明显的减小，这是因为更换了Base板材料的原因，各种力学性能显著提高，因而变形量和等效应力均减小。

3激光-电弧复合焊接设备结构优化设计

通过上文的分析研究可以看出，在进行了Base板材料更换之后，其在厚度上出现了非常大的减薄容纳度，但在对钢板进行减薄的过程中应该考虑到挠度和安全系数等材料减薄之后附加产生的矛盾问题，因此采用减薄厚度百分之二十五是比较合理的。经过计算机模拟后我们发现即使是减薄百分之二十五后，板材的等效应力减小了原有等效应力的三分之二，而最大变形量被基本保持，板材的整个重量也降低为原来的百分之七十五，在进行激光-电弧复合焊接设备优化设计之后不仅结构强度得以保持，并且结构的重量显著减轻，核心结构占用体积小，达到了激光-电弧复合焊接设备结构模型轻量化的设计目标。

参考文献：

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作者简介：姓名：刘迎春（19798.11--）；性别：女，籍贯：山东淄博人，学历：硕士研究生，毕业于东北大学；现有职称：工程师；研究方向：机械设计及自动化；

本论文受科技部重大专项项目资金资助，项目编号2013ZX04001041-09