尹輝俊，姜美姣

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，柳州 545006)

某乘用車副車架早期開裂原因分析及改進(jìn)

尹輝俊，姜美姣

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，柳州 545006)

0 引言

乘用車副車架設(shè)計(jì)初期，通常應(yīng)試制樣件，對(duì)樣件進(jìn)行疲勞壽命校核，借助疲勞臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期循環(huán)加載，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。某乘用車副車架在疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)階段發(fā)生早期開裂失效，未實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)壽命，為解決此問題，首先結(jié)合多工況靜強(qiáng)度有限元分析及應(yīng)變電測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)副車架進(jìn)行危險(xiǎn)工況靜力分析。找出副車架臺(tái)架實(shí)驗(yàn)開裂的原因，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案，再經(jīng)多批次臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)效果。

圖1為副車架開裂照片。對(duì)多個(gè)副車架樣件進(jìn)行疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，開裂位置基本相同。均出現(xiàn)在擺臂后聯(lián)接點(diǎn)的外邊緣過渡處。分析開裂特征，裂紋附近無明顯毛刺，故擬應(yīng)用有限元法分析其在危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力分布情況。

圖1 副車架開裂圖片

圖2 副車架有限元模型

1 危險(xiǎn)工況靜力分析

1.1 有限元模型的建立

副車架為薄板沖壓焊接結(jié)構(gòu)，故在Hypermesh中以副車架中面[1,2]為基礎(chǔ)，利用四邊形殼單元[3～5]進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立副車架的有限元模型。采用實(shí)體單元與剛性單元相結(jié)合的方式模擬焊縫[6]，長(zhǎng)度與實(shí)際的焊縫長(zhǎng)度相符。

1.2 材料屬性

副車架共采用SAPH440汽車結(jié)構(gòu)鋼和20#鋼兩種材料，其中SAPH440汽車結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為305MPa，抗拉極限強(qiáng)度為440MPa；20#鋼的屈服強(qiáng)度為275MPa，抗拉極限強(qiáng)度為445MPa。按照材料的實(shí)際屬性，將副車架有限元模型的彈性模量取為2.1×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7.8×10-9t/mm3。

1.3 邊界條件及載荷工況

副車架的惡劣工況為緊急制動(dòng)工況和普通加速工況。此二工況約束副車架與車身安裝點(diǎn)的移動(dòng)自由度，圖2中三角形為施加約束位置；依此二工況的受力情況在擺臂安裝點(diǎn)、左右轉(zhuǎn)向器安裝孔施加力。襯套及聯(lián)接螺栓均以剛性單元模擬。圖2箭頭為施力位置。

1.4 結(jié)果分析

使用NX-Nastran作為求解器，得到的危險(xiǎn)工況應(yīng)力分布云圖見圖3。分析應(yīng)力云圖可知。在發(fā)生開裂的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，與開裂位置相符。應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力為172.06MPa。

圖3 前副車架有限元應(yīng)力分布云圖

2 應(yīng)力測(cè)試

為驗(yàn)證有限元分析方案，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)。在前副車架疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的開裂位置布置測(cè)點(diǎn)；使用DH3816靜態(tài)應(yīng)變儀，借助疲勞臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)模擬副車架危險(xiǎn)工況施加載荷，測(cè)試得到向前加載時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力114MPa，向后加載時(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力為138MPa。與有限元分析結(jié)果基本相符。證明有限元分析結(jié)果符合實(shí)際工況。圖4為電測(cè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)對(duì)比情況見表1。

圖4 電測(cè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)圖

表1 電測(cè)數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果對(duì)比

3 開裂原因分析及改進(jìn)方案

由有限元靜力分析及電測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)開裂的位置應(yīng)力集中明顯，為局部結(jié)構(gòu)不合理引起的應(yīng)力集中，故將開裂處的異形外邊緣拉直，圖5為改進(jìn)前后的副車架模型。

圖5 副車架改進(jìn)圖

4 驗(yàn)證改進(jìn)方案

4.1 危險(xiǎn)工況靜力分析

按前述材料屬性及邊界條件建立改進(jìn)副車架的有限元模型，進(jìn)行危險(xiǎn)工況的靜力分析，得到應(yīng)力分布云圖見圖6。改進(jìn)后的副車架應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯改善。

圖6 改進(jìn)后的副車架應(yīng)力分布云圖

4.2 疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

疲勞臺(tái)架試驗(yàn)采用PWS-30二通道電液伺服汽車副車架及車軸疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，按疲勞[7～10]試驗(yàn)規(guī)范，在左右擺臂聯(lián)接點(diǎn)交替施加6000±N作用力，以模擬加速和制動(dòng)工況，圖7為臺(tái)架實(shí)驗(yàn)加載圖片。對(duì)改進(jìn)后的副車架進(jìn)行多批次臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)后副車架未出現(xiàn)開裂問題。驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。

圖7 副車架疲勞臺(tái)架試驗(yàn)加載圖片

5 結(jié)論

從前副車架開裂現(xiàn)象出發(fā)，以副車架在危險(xiǎn)工況下的受力情況為邊界條件進(jìn)行了有限元靜力分析，結(jié)合疲勞臺(tái)架，進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)，在驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的同時(shí)，分析了開裂原因，進(jìn)而提出改進(jìn)方案，改進(jìn)方案經(jīng)過多批次疲勞臺(tái)架試驗(yàn)證實(shí)，前副車架再未出現(xiàn)開裂問題。

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The analysis on the reasons for the earlier fatigue break of a passenger car frame & improvement

YIN Hui-jun，JIANG Mei-jiao

某乘用車副車架在臺(tái)架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)早期開裂失效，根據(jù)該臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的副車架工況確定邊界條件進(jìn)行有限元靜力分析，得到危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力分布情況。通過電測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證有限元分析結(jié)果。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果分析開裂原因，并提出對(duì)策。對(duì)改進(jìn)后的副車架進(jìn)行的臺(tái)架試驗(yàn)證實(shí)，改進(jìn)后開裂問題得到解決。

副車架；有限元；應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)；疲勞臺(tái)架試驗(yàn)

尹輝?。?972 -），男，廣西柳州人，教授，碩士，主要研究方向?yàn)檐囕v關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)與制造。

U463

A

1009-0134(2014)05(下)-0117-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).33

2014-01-12

廣西高等學(xué)校優(yōu)秀人才資助計(jì)劃項(xiàng)目（桂教人〔2011〕40號(hào)）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013GXNSFAA019319）；廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目（桂科攻1348005-12）；廣西重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（13-051-38）；廣西研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013105940802M01）