黃妙華 羅歡 伊斯武

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

基于試驗(yàn)的扭力梁懸架疲勞分析有限元模型的確定＊

黃妙華1羅歡1伊斯武2

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.國(guó)家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

為快速獲得準(zhǔn)確的扭力梁懸架有限元模型而提出基于試驗(yàn)的模型修正法，即在扭力梁懸架扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過調(diào)整懸架減振器處的質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量及模擬彈簧的梁密度，以修正扭力梁懸架有限元模型。將修正前、后扭力梁懸架有限元模型計(jì)算的剛度特性與通過試驗(yàn)獲取的剛度特性進(jìn)行對(duì)比表明，該方法能有效提高模型計(jì)算速度和精度。

1 前言

在行駛過程中，汽車整車及零部件會(huì)受到各種動(dòng)載荷作用，動(dòng)載荷會(huì)使整車及零部件內(nèi)部產(chǎn)生較大的隨時(shí)間變化的應(yīng)力，從而導(dǎo)致零部件的疲勞損傷和破壞，扭力梁后懸架開裂就屬此類問題，所以在整車及零部件研發(fā)過程中，對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命的估算和試驗(yàn)檢測(cè)就十分必要。在開發(fā)初期對(duì)零部件的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法主要有試驗(yàn)方法和理論分析方法。試驗(yàn)方法一般采用對(duì)汽車零部件進(jìn)行大量的臺(tái)架試驗(yàn)和整車耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，且問題大多出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)設(shè)計(jì)更改帶來一定的難度。理論分析方法是通過長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累，從理論的角度分析零部件所受到的載荷循環(huán)歷程、零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性，并對(duì)其進(jìn)行估算，該方法需以豐富的經(jīng)驗(yàn)累計(jì)為前提，且多運(yùn)用于小型零部件，而大型零部件因影響因素眾多，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其疲勞壽命。將試驗(yàn)方法和理論分析方法有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)加有限元分析的一體化疲勞壽命分析，是本研究開展的目的。本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用改變扭力梁后懸架結(jié)構(gòu)的方法，對(duì)快速建立準(zhǔn)確的扭力梁后懸架疲勞分析有限元模型進(jìn)行研究。

2 有限元模型的初步確定

為獲得準(zhǔn)確的扭力梁懸架疲勞分析結(jié)果，首先需要建立準(zhǔn)確的扭力梁懸架有限元模型。由于扭力梁主要由板殼結(jié)構(gòu)組成，其有限元模型主要采用4節(jié)點(diǎn)殼單元。為了保證有限元模型的精度，對(duì)高應(yīng)力區(qū)或響應(yīng)輸出區(qū)單元的質(zhì)量有比較嚴(yán)格的要求，故其單元格應(yīng)較其它位置更精細(xì)且盡量減少三角形單元的使用；對(duì)于焊接部位采取共節(jié)點(diǎn)的方法；由于橫臂上的直徑較小的安裝孔對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響較小，故其可忽略不計(jì)。在Hypermesh中完成對(duì)扭力梁懸架三維模型的網(wǎng)格劃分后，將有限元模型導(dǎo)入MSC.Patran中，并建立后懸架中其它結(jié)構(gòu)的有限元模型。

與車橋相連接的減振器及彈簧由于受載荷后的運(yùn)動(dòng)軌跡并非直線，故不適合采取彈簧單元和阻尼器單元，又由于梁?jiǎn)卧哂?個(gè)自由度，所以彈簧采用2節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。通過臺(tái)架拉伸測(cè)試試驗(yàn)測(cè)得彈簧的彈簧特性接近線性，故采用線性特性對(duì)其進(jìn)行模擬。在分析中設(shè)置模擬彈簧的梁的材料彈性模量具有的剛度與試驗(yàn)測(cè)得的一致。分析中對(duì)減振器采用具有6個(gè)方向剛度和6個(gè)方向阻尼的減振塊單元進(jìn)行模擬。減振器軸線方向的剛度和阻尼通過臺(tái)架拉伸測(cè)試試驗(yàn)測(cè)得，其它方向的剛度和阻尼根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取。有限元模型中鈑金件材料參數(shù)中的彈性模量E=2.1×105N/mm2，密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比V=0.3。后懸架有限元模型如圖1所示，其包括25 909個(gè)節(jié)點(diǎn)，25 877個(gè)單元。

為保證懸架模型與車身鉸接處沒有運(yùn)動(dòng)干涉，先用剛性桿單元連接鉸接處襯套座中心孔周圍的單元，并約束其只能繞孔的軸線旋轉(zhuǎn)，再用較短的橫向剛性桿（模擬銷軸）連接剛性桿單元的主動(dòng)節(jié)點(diǎn)和后懸架支架銷軸孔的中心節(jié)點(diǎn)，并約束銷軸孔中心節(jié)點(diǎn)除俯仰自由度外的其它自由度，以達(dá)到既避免運(yùn)動(dòng)干涉又保證后橋的自由度與實(shí)際吻合的目的。本文采用兩種方法驗(yàn)證該約束方法的正確性。第1種方法是去除減振器、彈簧對(duì)扭力梁的約束，使扭力梁僅受鉸接處的約束和重力的作用，計(jì)算扭力梁輪心處的垂直位移。計(jì)算結(jié)果為輪心處垂直位移變化很大。第2種方法是對(duì)包括扭力梁、彈簧、減振器的扭力梁懸架機(jī)構(gòu)在扭力梁輪心處施加垂直方向不對(duì)稱載荷，并互換左、右輪心處的載荷，分別計(jì)算兩種工況下左、右輪心處的位移。計(jì)算結(jié)果為當(dāng)互換左、右輪心載荷時(shí)左、右輪心位移也相應(yīng)調(diào)換。由此驗(yàn)證懸架的有限元模型沒有運(yùn)動(dòng)干涉。

3 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)

為獲得扭力梁的實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度特性，對(duì)扭力梁進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)。試驗(yàn)過程為在扭力梁輪心處緩慢施加垂向載荷，并測(cè)量加載處垂直位移。左、右兩側(cè)輪心處施加的載荷歷程如圖2所示，試驗(yàn)中每隔6s獲取1個(gè)試驗(yàn)值，共獲得100個(gè)試驗(yàn)值。施加載荷處的垂直方向位移響應(yīng)如圖3所示。

4 有限元模型的修正算法

由于在建立后懸架有限元模型過程中忽略小直徑的安裝孔和小型連接件，簡(jiǎn)化焊縫、彈簧及減振器，導(dǎo)致懸架的有限元分析模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在誤差。為了減少誤差，在后懸架左、右兩側(cè)減振器處對(duì)稱加入質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量和兩側(cè)模擬彈簧的梁密度，使懸架的扭轉(zhuǎn)剛度與實(shí)際扭轉(zhuǎn)剛度吻合以保證有限元模型的準(zhǔn)確性。

誤差分析采用雙變量法，即模擬彈簧的梁密度和減振器處的質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)變量，當(dāng)梁密度為k、質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量為j時(shí)，后懸架左、右側(cè)加載點(diǎn)的垂直方向位移分析值和試驗(yàn)值的誤差Dkjl、Dkjr分別為：

式中，Zkjli表示質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量為j時(shí)，后懸架左側(cè)加載點(diǎn)第i個(gè)時(shí)刻的垂向位移分析值；Ztli表示后懸架左側(cè)第i個(gè)時(shí)刻的獲得的垂向位移試驗(yàn)值；Zkjri表示質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量為j時(shí)，后懸架右側(cè)加載點(diǎn)第i個(gè)時(shí)刻的垂向位移分析值；Ztri表示后懸架右側(cè)第i個(gè)時(shí)刻垂向位移試驗(yàn)值。

模擬彈簧的梁的密度范圍是1×104～12×104kg/m3，減振器處質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量范圍為0～20 kg時(shí)，左、右兩側(cè)施加載荷處位移分析值與試驗(yàn)值誤差如圖4所示。

由圖4可知，分析值與試驗(yàn)值的誤差對(duì)于梁密度更敏感。采取單一變量法，固定梁密度為5×104kg/m3，調(diào)整質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量得到有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果中加載處的垂直位移響應(yīng)對(duì)比圖如圖5所示。

綜合考慮較小的誤差值及左、右誤差接近，取減振器處質(zhì)點(diǎn)為6 kg。調(diào)整模擬彈簧的梁的密度范圍為1×104～12×104kg/m3時(shí)比較懸架兩側(cè)加載處位移與試驗(yàn)值，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，不同梁密度對(duì)應(yīng)的誤差結(jié)果差距很小，即懸架的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)于模擬彈簧的梁密度不敏感。當(dāng)減振器處節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為6 kg、模擬彈簧梁的密度為5×104kg/m3時(shí)，左、右兩側(cè)加載點(diǎn)位移響應(yīng)的分析值和試驗(yàn)值的誤差分別為4.5%、6.4%，此情況下計(jì)算分析結(jié)果和測(cè)試值如圖7所示。由圖7可知其波形一致，且誤差都在10%以內(nèi)。綜合分析圖5～圖7可知，通過改變模擬彈簧的梁密度和減振器處質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量?jī)勺兞恐祦碚{(diào)整有限元模型的方法，能夠提高模型的精度，并獲得使有限元分析值與試驗(yàn)值一致的結(jié)果。因此，所提出的基于扭轉(zhuǎn)剛度特性試驗(yàn)修正扭力梁懸架疲勞分析有限元模型的方法是可行和有效的。

5 結(jié)束語

研究確定扭力梁后懸架疲勞壽命分析有限元模型的方法，通過調(diào)節(jié)模擬彈簧的梁密度和減振器處質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量以提高模型精度。分析結(jié)果表明，該方法使計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值間的差距明顯減小。本文采用的方法允許對(duì)有限元模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，減少了建模難度，提高了建模速度并且保證了建模精度。

1吳光強(qiáng)，李云超，盛云.基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的后懸架疲勞試驗(yàn)分析.同濟(jì)大學(xué)自然學(xué)報(bào),2009,30（37）：1379～1382.

2涂啟養(yǎng),董大偉,閻兵.某液壓模塊式組合掛車強(qiáng)度及其疲勞分析.汽車科技,2011,3：53～56.

3張林波,柳楊,黃鵬程.有限元疲勞分析法在汽車工程中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)輔助工程,2006,15（9）：195～198.

4沈磊，張守元，郁強(qiáng).輪心六分力作用下懸架疲勞載荷譜提取.試驗(yàn)測(cè)試,2012,1:48～50.

5馬愛軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年9月10日。

Determination of Fatigue Durability FE Model Based on Torsion Beam Suspension Test

Huang Miaohua1,Luo Huan1,Yi Siwu2
（1.Hubei Provincial Key Laboratory of Modern Automotive Technology,Wuhan University of Technology;2.National Automobile Quality Supervision Test Center）

To acquire accurate finite element model of torsion beam suspension,a correction method is put forward, which is based on stiffness test of torsion beam suspension，and which modifies the FE model of the torsion beam suspension by adjusting the particle mass at the shock absorbers and the density of the beam which is used to simulate spring.The stiffness characteristic calculated with FE model before and after modification is compared with that obtained by test,which shows that the proposed method can improve the speed and precision of model calculation effectively.

Torsion beam suspension,FEA model,Stiffness test

扭力梁懸架有限元模型剛度試驗(yàn)

U463.33

：A

：1000-3703（2014）03-0021-03

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2012-ZY-059）。