朱劍峰，林 逸，張 濤，寇宏濱，邱榮英

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081； 2.泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

前言

耐久性試驗(yàn)是轎車(chē)零部件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，然而汽車(chē)零部件的制造和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力，要在競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的汽車(chē)工業(yè)中立于不敗之地就必須不斷取得突破，迫于開(kāi)發(fā)成本的考慮，耐久性虛擬臺(tái)架試驗(yàn)越來(lái)越被汽車(chē)廠商所重視。通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵零部件疲勞壽命的有效預(yù)測(cè)，大幅度減少物理樣機(jī)試驗(yàn)，以縮短研發(fā)周期，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

文獻(xiàn)[1]中結(jié)合多體力學(xué)和有限元仿真技術(shù)建立整車(chē)的虛擬仿真模型, 提出了耐久性虛擬試驗(yàn)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)底盤(pán)零部件疲勞壽命的有效預(yù)估。文獻(xiàn)[2]中引入了虛擬試驗(yàn)臺(tái)概念，借助于實(shí)車(chē)道路載荷譜和有限元分析成功地進(jìn)行了后橋的疲勞壽命預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[3]中成功地驗(yàn)證了基于有限元的虛擬疲勞分析方法在汽車(chē)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的可行性。耐久性虛擬試驗(yàn)技術(shù)是一種全新的、綜合性的CAE分析技術(shù)，通過(guò)引入虛擬臺(tái)架和虛擬模型可以對(duì)車(chē)輛的疲勞壽命做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

本文中依據(jù)有限元疲勞分析方法，建立了副車(chē)架的有限元模型，結(jié)合懸架系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工況下副車(chē)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析和虛擬臺(tái)架疲勞壽命分析對(duì)改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，并通過(guò)副車(chē)架實(shí)物疲勞臺(tái)架試驗(yàn)和失效模式分析驗(yàn)證了疲勞仿真分析結(jié)果和虛擬臺(tái)架疲勞分析方法的有效性。

1 結(jié)構(gòu)疲勞預(yù)測(cè)

由于所研究對(duì)象的失效區(qū)域?yàn)椴牧媳倔w區(qū)域，故只對(duì)結(jié)構(gòu)本體進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。文中采用一種基于E-N的疲勞分析方法。基于E-N方法的Design

Life軟件疲勞壽命分析流程[4]如圖1所示。根據(jù)E-N分析方法，先按照給定的載荷譜計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間歷程；然后根據(jù)應(yīng)力梯度對(duì)應(yīng)變時(shí)間歷程修正；接著按照實(shí)際情況，采用相應(yīng)的組合法則從應(yīng)變時(shí)間歷程提取組合的應(yīng)變時(shí)間歷程，同時(shí)采用Neuber方法對(duì)局部應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行修正；最后對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變歷程進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)和損傷計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

E-N法采用的是疲勞累積損傷理論[5-6]，其主要核心內(nèi)容是研究在變幅載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積規(guī)律和疲勞失效準(zhǔn)則。當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每一次應(yīng)力循環(huán)都會(huì)使材料產(chǎn)生相應(yīng)的損傷值。對(duì)于恒幅載荷，每次循環(huán)所造成的損傷D=1/N，N是給定應(yīng)力水平下的疲勞壽命。經(jīng)過(guò)損傷累積疊加，n次橫幅載荷所產(chǎn)生的損傷為n/N，經(jīng)推導(dǎo)后變幅載荷下的總損傷值為

(1)

式中：K為變幅載荷的應(yīng)力水平級(jí)數(shù)；ni為第i級(jí)載荷下的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級(jí)載荷下的疲勞壽命。

當(dāng)損傷累計(jì)達(dá)臨界值Df時(shí)，即D=Df時(shí)，將發(fā)生疲勞失效，Df為臨界損傷和，它將直接關(guān)系到疲勞壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果。

按照Miner線性疲勞累積損傷理論，將各個(gè)應(yīng)力幅值下的損傷累加起來(lái)就是零件的總損傷，D=1時(shí)，零件發(fā)生疲勞破壞。

(2)

式(2)被稱為Miner準(zhǔn)則。

2 副車(chē)架虛擬臺(tái)架疲勞分析方法

為能快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和在物理臺(tái)架試驗(yàn)上得到很好的驗(yàn)證，采用虛擬臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方案的可行性變得十分重要。虛擬臺(tái)架疲勞分析的主要思想是借助于等效載荷和有限元分析對(duì)副車(chē)架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證改進(jìn)方案的效果，為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的可行性提供理論依據(jù)。

為最大程度地再現(xiàn)各部件間的實(shí)際約束關(guān)系，本文中利用非線性的彈簧單元來(lái)模擬副車(chē)架各連接處的非線性橡膠襯套，剛度曲線通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得?？紤]到副車(chē)架實(shí)際安裝方式，副車(chē)架前面兩個(gè)車(chē)身連接點(diǎn)固定，后面兩個(gè)車(chē)身連接點(diǎn)通過(guò)彈簧固定(彈簧剛度和實(shí)際襯套剛度一致)，穩(wěn)定桿和副車(chē)架通過(guò)彈簧連接(彈簧剛度和實(shí)際襯套剛度一致)，完整的副車(chē)架虛擬臺(tái)架分析模型見(jiàn)圖2。

3 副車(chē)架路試失效

3.1 失效模式

在路試中，發(fā)現(xiàn)該副車(chē)架上片在控制臂連接處附近區(qū)域有開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖3所示。此時(shí)完成路試?yán)锍碳s20%。副車(chē)架裂紋擴(kuò)展方向垂直于邊緣，可以認(rèn)為該處失效為基材本體疲勞失效。通過(guò)對(duì)副車(chē)架結(jié)構(gòu)取樣分析，結(jié)果表明材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足材料標(biāo)準(zhǔn)，故后續(xù)工作必須對(duì)副車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.2 失效原因分析

副車(chē)架作為汽車(chē)底盤(pán)中關(guān)鍵零部件，承受著來(lái)自控制臂的縱向力與側(cè)向力、穩(wěn)定桿垂直力、轉(zhuǎn)向機(jī)側(cè)向力和動(dòng)力總成后拉桿縱向力等作用力，受力情況十分復(fù)雜。通過(guò)分析副車(chē)架在各工況下失效處的應(yīng)力結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在扭曲路面工況下該失效位置的應(yīng)力最大，壽命最低，其應(yīng)力分布如圖4所示。

圖5為該工況下副車(chē)架變形圖。由圖可見(jiàn)，變形梯度在失效處也呈現(xiàn)最大趨勢(shì)，所以可初步判斷出該副車(chē)架失效主要由扭轉(zhuǎn)工況引起。扭轉(zhuǎn)工況下副車(chē)架所承受的載荷主要為穩(wěn)定桿垂向載荷，且左右穩(wěn)定桿連接處對(duì)副車(chē)架垂向載荷大小相等，方向相反。因此，副車(chē)架的改進(jìn)設(shè)計(jì)將主要考慮穩(wěn)定桿垂向載荷下副車(chē)架失效位置的應(yīng)力和疲勞壽命改進(jìn)效果，同時(shí)保證改進(jìn)副車(chē)架的其它部位沒(méi)有發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

4 副車(chē)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為解決副車(chē)架上述失效問(wèn)題，必須提高薄弱部位的剛度以減少其應(yīng)力應(yīng)變，考慮到其載荷的方向，改進(jìn)結(jié)構(gòu)必須在載荷的法向方向上有足夠高的剛度才能有很好的改進(jìn)效果。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)同時(shí)也參考了某些競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型相似的副車(chē)架內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文中采用圖6所示的加強(qiáng)板對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)，由于副車(chē)架整體采用2.0mm鈑材，基于經(jīng)濟(jì)性考慮該支架采用同樣材料和厚度進(jìn)行沖壓，安裝在穩(wěn)定桿連接處附近。該加強(qiáng)板下端和副車(chē)架下片利用焊縫連接，上端通過(guò)螺栓和副車(chē)架在穩(wěn)定桿連接處固定。

為了保證改進(jìn)后副車(chē)架沒(méi)有出現(xiàn)新的高應(yīng)力區(qū)域，所以要對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的所有高應(yīng)力位置的應(yīng)力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并確保結(jié)構(gòu)失效位置應(yīng)力有一定程度下降，其它非失效部位應(yīng)保證新方案應(yīng)力水平不超過(guò)原始設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平。各關(guān)鍵點(diǎn)位置標(biāo)識(shí)如圖7所示，各主要應(yīng)力集中區(qū)域變化情況見(jiàn)表1。

序號(hào)懸架工況應(yīng)力變化百分比/%位置_1位置_2位置_3位置_41整備質(zhì)量434381662重載444073683雙輪跳433356564左輪跳353648565右輪跳333649396扭曲路面-左323544537扭曲路面-右323541428過(guò)坑334884899向前制動(dòng)一2343529610向前制動(dòng)二8796898811向后制動(dòng)一90128839812向后制動(dòng)二55787110213前碰2323485314后碰2525345515向左轉(zhuǎn)彎2224486116向右轉(zhuǎn)彎8794516017制動(dòng)+左轉(zhuǎn)68101727018制動(dòng)+右轉(zhuǎn)3645637819向前加速4937595620向后加速46355856

從表1可以看出，副車(chē)架在工況11下的2號(hào)位置點(diǎn)應(yīng)力增加，但其應(yīng)力增加后仍遠(yuǎn)低于材料屈服，所以該處應(yīng)力增加沒(méi)有失效風(fēng)險(xiǎn)，其余工況改進(jìn)后的副車(chē)架結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力基本沒(méi)有增加。說(shuō)明改進(jìn)結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移，可進(jìn)行后續(xù)的有限元疲勞分析和物理樣件的疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 疲勞壽命預(yù)測(cè)

5.1 疲勞仿真分析

由于副車(chē)架在失效處的應(yīng)力大于材料屈服，其局部將會(huì)有一定的塑性應(yīng)變量，而局部的微觀塑性變形將導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，所以在對(duì)副車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)必須采用塑性應(yīng)變Neuber法則修正[7]，此外還須考慮平均應(yīng)力修正。副車(chē)架材料采用SAPH440，其相應(yīng)的E-N曲線見(jiàn)圖8。計(jì)算完成后輸出疲勞壽命的結(jié)果文件可利用HYPERMESH進(jìn)行后期的處理分析。

根據(jù)研究副車(chē)架扭轉(zhuǎn)工況下的載荷發(fā)現(xiàn)，作用于穩(wěn)定桿連接處的載荷時(shí)間歷程如圖9所示，載荷加載方向和整車(chē)坐標(biāo)系方向一致。

經(jīng)過(guò)疲勞計(jì)算后副車(chē)架壽命分布云圖如圖10所示，穩(wěn)定桿左右支架處壽命值，即載荷加載循環(huán)次數(shù)為3 500次，為產(chǎn)生初始可見(jiàn)裂紋(1～2mm)時(shí)的壽命值。

從結(jié)果可以看出，失效位置與失效模式和路試中的情況基本一致，能較好地再現(xiàn)路試失效模式，故改進(jìn)前后的副車(chē)架物理樣件的臺(tái)架試驗(yàn)可以按照這種方法來(lái)驗(yàn)證。

5.2 臺(tái)架試驗(yàn)

根據(jù)副車(chē)架實(shí)際裝配情況，搭建相應(yīng)的臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)，如圖11所示。垂直方向的作動(dòng)缸通過(guò)球頭和穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)連接，副車(chē)架和車(chē)身的4個(gè)連接點(diǎn)通過(guò)螺栓直接和剛性臺(tái)柱連接在一起。為了克服制造工藝等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)前后的方案各取3個(gè)樣件進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)。

參考路試中采集的穩(wěn)定桿載荷譜和懸架標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定桿處的載荷大小，同時(shí)為了加速臺(tái)架試驗(yàn)的驗(yàn)證過(guò)程，綜合考慮后，穩(wěn)定桿處載荷取3 000N，加載頻率為3～5Hz。經(jīng)臺(tái)架疲勞試驗(yàn)后的副車(chē)架裂紋擴(kuò)展如圖12所示。

從副車(chē)架臺(tái)架失效裂紋位置和擴(kuò)展方向來(lái)看，臺(tái)架失效模式基本和路試失效模式一致，臺(tái)架試驗(yàn)很好地再現(xiàn)了路試的失效，副車(chē)架疲勞實(shí)驗(yàn)壽命對(duì)比如表2所示。

從表2可以看出，改進(jìn)前的副車(chē)架本體開(kāi)裂時(shí)，裂紋已經(jīng)擴(kuò)展，可以判斷初始裂紋時(shí)的循環(huán)次數(shù)和計(jì)算值很接近了，改進(jìn)后的副車(chē)架臺(tái)架試驗(yàn)無(wú)裂紋產(chǎn)生，試驗(yàn)和計(jì)算相關(guān)度達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了明顯的改進(jìn)效果。

表2 副車(chē)架垂直加載疲勞壽命

6 結(jié)論

(1)建立了虛擬臺(tái)架疲勞分析模型，通過(guò)疲勞分析發(fā)現(xiàn)失效位置與試驗(yàn)失效位置基本一致，疲勞計(jì)算壽命和物理臺(tái)架試驗(yàn)壽命數(shù)值差距不大，其誤差可以接受，確保了該方法對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性。

(2)副車(chē)架改進(jìn)后經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)無(wú)可見(jiàn)裂紋產(chǎn)生，且結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)壽命已達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)值，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)其它部位無(wú)應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

(3)采用這種虛擬臺(tái)架疲勞分析可快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，虛擬臺(tái)架試驗(yàn)快速高效的特點(diǎn)，將有助于副車(chē)架的設(shè)計(jì)優(yōu)化，給前期設(shè)計(jì)和后期驗(yàn)證帶來(lái)很大的方便，縮短了后續(xù)改進(jìn)和物理驗(yàn)證的時(shí)間。

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