王文龍， 李華雷， 于志超， 陳歡歡， 高利

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

試驗(yàn)場道路對扭梁的損傷貢獻(xiàn)度分析研究

王文龍1,2， 李華雷1,2， 于志超1,2， 陳歡歡1,2， 高利1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

借助于ABAQUS軟件對扭梁模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果確定易失效位置完成應(yīng)變片粘貼，在試驗(yàn)場進(jìn)行整車道路載荷譜數(shù)據(jù)采集。利用Ncode Glyphworks搭建流程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出各貼片位置疲勞損傷的貢獻(xiàn)度，確定結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)位置，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

扭梁；道路載荷譜；損傷；仿真分析

0 引言

作為汽車的重要系統(tǒng)之一，汽車懸架不僅承載著路面通過輪胎傳遞的各種復(fù)雜外載，而且車身對它的沖擊也不容忽視，其結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響車輛的安全，往往會給客戶帶來巨大的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失[1]。扭梁式懸架由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，被廣泛用于小型車和緊湊型轎車上[2]。

國外學(xué)者對汽車零部件的疲勞耐久進(jìn)行了很多系統(tǒng)的研究，國內(nèi)處于剛起步階段，結(jié)合真實(shí)試驗(yàn)場道路載荷譜的零部件CAE疲勞分析也處于摸索階段，缺少具有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)庫。為了給后懸架的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)指出關(guān)鍵分析方向，文中建立了不同試驗(yàn)場道路對扭梁疲勞損傷貢獻(xiàn)度的數(shù)據(jù)庫。

1 扭梁結(jié)構(gòu)有限元分析

1.1 有限元模型

借助于HyperMesh軟件建立扭梁結(jié)構(gòu)的有限元模型(如圖1所示)，結(jié)合后扭梁的相應(yīng)結(jié)構(gòu)選取合適的單元類型。除扭梁本體和縱臂采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分外，其他均為沖壓加工鈑金件，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型共包含85 634個節(jié)點(diǎn)、69 862個單元，其中殼單元20 859個、四面體單元49 003個、剛性單元8個。

圖1 扭梁有限元網(wǎng)格圖

1.2 仿真分析

在該模型的靜力分析中，由于只考慮材料的線彈性特性，因此可采用通用材料屬性(如圖1所示)，采用慣性釋放計(jì)算8個硬點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果。所涉及工況包括后4g(向后規(guī)定載荷4g，g為重力加速度)、上4g(向上規(guī)定載荷4g)、右3g(向右規(guī)定載荷3g)、轉(zhuǎn)向、制動和驅(qū)動，分析結(jié)果見表1。

表1 分析結(jié)果

結(jié)合分析結(jié)果可知：扭梁本體最大應(yīng)力值為502.3 MPa，出現(xiàn)在上4g工況；輪轂支架最大應(yīng)力值357.8 MPa，出現(xiàn)在后4g工況；螺旋簧安裝支架最大應(yīng)力值為548.3 MPa，出現(xiàn)在上4g工況，除后4g工況應(yīng)力值稍有減小外，其余工況應(yīng)力值較更改前均有所增大；縱臂最大應(yīng)力值為539.2 MPa，出現(xiàn)在后4g工況，位于焊道末端，且轉(zhuǎn)向工況超出其材料的屈服極限；輪轂安裝板最大應(yīng)力值為175.7 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況，未超過其材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求；制動鉗連接板最大應(yīng)力值為293.6 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向工況，未超過其材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。

2 試驗(yàn)場道路載荷譜采集

2.1 傳感器選擇及布置

結(jié)合CAE分析結(jié)果及前期零部件失效點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)，在扭梁結(jié)構(gòu)上選擇易失效位置進(jìn)行應(yīng)變片粘貼，具體位置見圖2。

圖2 應(yīng)變片布置示意圖

2.2 測試工況簡介

此次測試用試驗(yàn)車為滿載狀態(tài)，在徐水試驗(yàn)場進(jìn)行。根據(jù)國內(nèi)外各汽車公司長期所積累的經(jīng)驗(yàn)，目前載荷譜采集方法主要有5種[3]：

(1)一輛試驗(yàn)車由一名特定的試驗(yàn)司機(jī)在選定的路段進(jìn)行多次試驗(yàn)(美國福特公司)；

(2)一輛試驗(yàn)車指定多名司機(jī)分別在選定的不同路段進(jìn)行試驗(yàn)(瑞典VOLVO公司)；

(3)一輛試驗(yàn)車指定多名司機(jī)分別在相同的路段進(jìn)行試驗(yàn)(德國奧迪公司和ZF公司)；

(4)一輛試驗(yàn)車指定一名司機(jī)跟隨相關(guān)用戶在相應(yīng)路段進(jìn)行試驗(yàn)(德國奧迪公司)；

(5)多輛試驗(yàn)車由多名司機(jī)在相同路段進(jìn)行試驗(yàn)(美國通用公司)。

綜合考慮成本及試驗(yàn)時(shí)間，最終選擇方法三(選擇3名司機(jī))，通過GPS測取試驗(yàn)車行駛軌跡。其中包含各種疲勞耐久路(見表2)，對13種路況(搓板路、短波路、國情路、坑洼路、卵石路、扭曲路、比利時(shí)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集3遍數(shù)據(jù)。

表2 疲勞耐久路路況明細(xì)表

2.3 測試結(jié)果

由于扭梁結(jié)構(gòu)左右對稱，測試通道共54個(左右各27個)，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄所有時(shí)段的載荷譜數(shù)據(jù)，如圖3所示為部分應(yīng)變數(shù)據(jù)，總共900 s。

圖3 部分應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線圖

3 載荷譜數(shù)據(jù)處理

通過數(shù)據(jù)處理如濾波、毛刺剔除、去漂移等預(yù)處理獲得了可用于結(jié)果分析的有效數(shù)據(jù)。借助于Ncode Glyphworks軟件搭建數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及損傷計(jì)算流程，對數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值、最小值和全壽命整體損傷值的計(jì)算[4]，所得各路況具體數(shù)值見表3。各通道在搓板路制動、扭曲路和緊急轉(zhuǎn)向中應(yīng)力出現(xiàn)最大值，總損傷較大位置為3號、4號和12號，是由扭梁本體加工工藝造成，需對其進(jìn)行改進(jìn)。

表3 各通道總體損傷值

4 小結(jié)

以某型后扭梁為研究對象，結(jié)合有限元分析和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，基于試驗(yàn)場采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理如濾波、毛刺剔除、去漂移等獲得了可用于結(jié)果分析的有效數(shù)據(jù)。基于實(shí)測載荷譜對后扭梁各點(diǎn)進(jìn)行了疲勞損傷分析，找出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對提高部件的疲勞耐久性具有現(xiàn)實(shí)意義。

【1】李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社,2006：71-72,78-106.

【2】陳海，陳正康，龔成斌等.轎車后扭梁軸扭桿優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2011(7)：44-45.

【3】張小龍，宋健,馮能蓮,等 汽車道路試驗(yàn)測試方法研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009,40(4):38-44. ZHANG X L,SONG J,FENG N L,et al.Research Progress of Measurement Method for Vehicle Road Way Test[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(4):38-44.

【4】MINER M A．Cumulative Damage in Fatigue[J]．Journal of Applied Mechanics，1995( 12):159-164．

Contribution Analysis of Proving Round Road on Fatigue Damage of Twist Beam

WANG Wenlong1,2, LI Hualei1,2, YU Zhichao1,2, CHEN Huanhuan1,2, GAO Li1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineer Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

With the aid of finite element software ABAQUS, static simulation analysis for twist beam was made.According to the analysis results, easy failure locations were determined on which strain gauges were pasted.The vehicle road load spectrum data acquisition was completed in the testing field. Using Ncode Glyphworks, processing flow was built to carry out data analysis, and the contribution of each position to fatigue damage was obtained, so the locations with structural failure risk could be determined. The research provides reference for the optimization of product structure.

Twist beam; Load spectrum; Damage; Simulation analysis

2016-08-26

王文龍(1980—)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P零部件疲勞耐久驗(yàn)證。E-mail:lhl20160000@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.011

U463

A

1674-1986(2017)02-044-04