束銘宇

（玉柴聯(lián)合動(dòng)力股份有限公司，安徽 蕪湖 241080）

前言

汽車零部件設(shè)計(jì)必須以市場(chǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)壽命“過(guò)大”或“不足”的產(chǎn)品通常是不經(jīng)濟(jì)且缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的，所以無(wú)論在汽車零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)還是試驗(yàn)階段都應(yīng)當(dāng)考慮用戶的使用要求。汽車的耐久性試驗(yàn)是考核和驗(yàn)證汽車及零部件耐久性的重要手段，

對(duì)汽車排氣系統(tǒng)而言，耐久性試驗(yàn)可以分為道路試驗(yàn)和臺(tái)架模擬試驗(yàn)[1][2]，兩種試驗(yàn)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，道路耐久實(shí)驗(yàn)的載荷工況為實(shí)際使用工況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，通常用于主機(jī)廠的產(chǎn)品認(rèn)可，臺(tái)架模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)載荷由于是用經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化載荷或道路處理載荷，載荷工況與實(shí)際載荷存在一定偏差，與道路實(shí)驗(yàn)相比，臺(tái)架模擬試驗(yàn)速度快、成本低，通常用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證及問(wèn)題解決方面。

某排氣系統(tǒng)在整車路試時(shí)，出現(xiàn)焊縫斷裂，本文對(duì)該排氣系統(tǒng)焊縫斷裂原因進(jìn)行分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并最終通過(guò)整車驗(yàn)證。我們對(duì)優(yōu)化前后樣件進(jìn)行路譜采集，為了提高焊縫損傷計(jì)算精度，本文沒(méi)有使用軟件中利用理論公式計(jì)算的推薦壽命曲線，而是采用工程壽命曲線試驗(yàn)方法對(duì)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命曲線試驗(yàn)，然后利用工程試驗(yàn)S-N曲線對(duì)焊縫損傷進(jìn)行分析，在考慮一定安全系數(shù)情況下，評(píng)估優(yōu)化設(shè)計(jì)是否可以滿足整車道路試驗(yàn)，最后優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)臺(tái)架損傷分析的評(píng)估，認(rèn)為路試耐久試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較低，送樣主機(jī)廠做路試耐久試驗(yàn)。

1 問(wèn)題背景

在某排氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，排氣系統(tǒng)路試?yán)锍碳s58%時(shí)，消聲器吊鉤焊縫根部出現(xiàn)斷裂。開(kāi)裂起始位置為焊縫根部開(kāi)始擴(kuò)展。焊縫開(kāi)裂原因通常分為三類：焊縫質(zhì)量問(wèn)題，焊縫設(shè)計(jì)問(wèn)題，吊鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文通過(guò)焊縫質(zhì)量檢查、焊縫壽命曲線試驗(yàn)、整車路譜采集及損傷分析等手段來(lái)判斷產(chǎn)生問(wèn)題根源，并對(duì)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 路試中吊鉤開(kāi)裂位置

2 原因分析

對(duì)斷裂焊縫進(jìn)行焊縫切片質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量合格，然后對(duì)該設(shè)計(jì)焊縫進(jìn)行壽命曲線實(shí)驗(yàn)，得到的焊縫壽命在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，說(shuō)明焊縫本身設(shè)計(jì)合理，最后對(duì)斷裂的焊縫進(jìn)行路譜采集，采集工況為路試循環(huán)工況，并將焊縫測(cè)試的SN曲線做為輸入，利用ncode公司開(kāi)發(fā)的GlyphWorks軟件對(duì)焊縫進(jìn)行損傷分析，得到焊縫在總路試?yán)锍滔碌膿p傷為17.3，進(jìn)一步檢查為焊縫測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吊鉤的應(yīng)力集中過(guò)大，輔助CAE強(qiáng)度分析，得出焊縫出現(xiàn)斷裂的原因?yàn)榈蹉^設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致應(yīng)力集中過(guò)大引起。

2.1 疲勞損傷理論

采用線性的疲勞積累損傷理論中的Miner法則，材料在各個(gè)應(yīng)力水平下疲勞損傷獨(dú)立進(jìn)行，總損傷可以線性疊加，當(dāng)積累到某一數(shù)值時(shí)材料或構(gòu)建發(fā)生破壞[3]。Miner法則假設(shè)：構(gòu)建所吸收的能量達(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生疲勞破壞，如破壞前可吸收能量極限為W，構(gòu)件破壞前縱循環(huán)數(shù)為N，在某一循環(huán)n1時(shí)構(gòu)件吸收的能量為W1，則其吸收的能量與其循環(huán)數(shù)間存在正比關(guān)系，即：

這樣構(gòu)件的加載歷程由m個(gè)不同的應(yīng)力水平構(gòu)成，各個(gè)應(yīng)力水平下又對(duì)應(yīng)著m個(gè)不同疲勞壽命和循環(huán)次數(shù)，則損傷為：

當(dāng)構(gòu)件吸收能量達(dá)到極限值W，即發(fā)生破壞。

2.2 焊縫實(shí)驗(yàn)SN曲線理論

焊縫實(shí)驗(yàn)SN疲勞曲線是基于公式（1）所示的SN函數(shù)關(guān)系，取兩個(gè)不同載荷點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)再載荷點(diǎn)做一定數(shù)量樣件，通過(guò)擬合得到曲線斜率h和常數(shù)C，從而得到焊縫在任一載荷下的壽命。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差和離散度，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可以進(jìn)一步計(jì)算不同概率的的壽命曲線，一般常用概率為10%，50%及90%[4]。

其對(duì)數(shù)形式為：

此處Δσe為加載載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，在不同的實(shí)驗(yàn)載荷類型中，可以為實(shí)驗(yàn)加載載荷，Nf為疲勞壽命，h為曲線斜率，C為曲線截距。

2.3 焊縫切片質(zhì)量檢查

圖2為吊鉤斷裂區(qū)域焊縫切片位置，圖3、圖4分別為圖2標(biāo)識(shí)的1#及2#位置的切片端面圖，從斷裂位置的焊縫切片分析，可以看出，焊縫與消聲器相連部位已經(jīng)全熔，與吊鉤有一定熔深，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) HB5135－2000，端頭全熔即判合格，所以焊縫焊接質(zhì)量合格。

圖2 焊縫斷裂區(qū)域切片位置

圖3 1#位置切片分析

圖4 2#位置切片分析

圖5 焊接類型示意圖

2.4 焊縫壽命（SN）曲線測(cè)試

根據(jù)工程SN曲線實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行SN曲線實(shí)驗(yàn)，SN曲線實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)要求一般分為單載荷水平法和雙載荷水平法，根據(jù)公式（1）及（2）在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，金屬零件及焊縫的壽命與載荷為線性關(guān)系。單載荷水平法是假設(shè)焊縫壽命曲線的斜率為一定條件下，選取一個(gè)載荷，在該載荷下至少做3個(gè)有效樣本，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算出該載荷下的平均壽命及方差，根據(jù)公式（2）及假定的斜率，擬合出壽命曲線。雙載荷水平法是在兩個(gè)載荷水平下分別做至少3個(gè)有效樣本，計(jì)算平均壽命及方差，根據(jù)公式（2）擬合出曲線的斜，計(jì)算壽命曲線。由于我們對(duì)該類型焊縫的斜率有大量的數(shù)據(jù)庫(kù)，本文采用單載荷水平法。圖6為SN曲線實(shí)驗(yàn)安裝圖，圖7為SN曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從SN曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出該焊縫在5百萬(wàn)次壽命下，存活率為50%的疲勞強(qiáng)度為987N，滿足經(jīng)驗(yàn)要求，說(shuō)明焊縫本身設(shè)計(jì)沒(méi)有問(wèn)題。

圖6 SN曲線實(shí)驗(yàn)安裝圖

圖7 SN曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 結(jié)構(gòu)有限元分析及路普采集

為了排查設(shè)計(jì)方面原因，我們對(duì)吊鉤設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析發(fā)現(xiàn)，該吊鉤在4g載荷下，失效吊鉤位置的最大應(yīng)力為189MPa，計(jì)算結(jié)果偏大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)該FEA應(yīng)力小于150MPa為安全。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 4g載荷強(qiáng)度分析結(jié)果（Max. stress 189MPa）

為了進(jìn)一步分析失效原因，對(duì)系統(tǒng)在路試工況下進(jìn)行應(yīng)變采集，通過(guò)圖6的實(shí)驗(yàn)SN曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算整個(gè)路試耐久工況下焊縫的損傷。圖8為路普采集中失效吊鉤應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，從圖8可以看出，最大采集應(yīng)變?yōu)?39μ，總損傷計(jì)算結(jié)果為17.3.遠(yuǎn)大于1，根據(jù)疲勞累計(jì)損傷理論，損失大于1則會(huì)出現(xiàn)斷裂。

圖9 路普采集測(cè)試結(jié)果

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先通過(guò)CAE手段，對(duì)吊鉤設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，圖10是優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖11是優(yōu)化后方案4g強(qiáng)度分析結(jié)果圖，對(duì)比優(yōu)化前后的CAE強(qiáng)度分析結(jié)果，分析結(jié)果表明4g強(qiáng)度分析吊鉤應(yīng)力由183MPa降低到87.2MPa，應(yīng)力集中有了大幅度降低。

圖10 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)方案

圖11 優(yōu)化方案4g強(qiáng)度分析（Max. stress 189MPa）

然后，采用與原方案同樣的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)優(yōu)化后方案進(jìn)行SN曲線實(shí)驗(yàn)，得到優(yōu)化方案與原方案SN曲線對(duì)比圖，見(jiàn)圖12，從圖12可以看出，吊鉤優(yōu)化前后，SN曲線差別較小。

圖12 原方案與優(yōu)化方案SN曲線對(duì)比

圖13 優(yōu)化方案路譜采集測(cè)試結(jié)果

最后對(duì)優(yōu)化后的方案在與原方案同樣的路試工況下進(jìn)行應(yīng)變采集，得到應(yīng)變見(jiàn)圖13，采集的最大應(yīng)變由原方案的539 μ下降到37μ，應(yīng)力集中載荷大幅度下降，與CAE分析結(jié)果趨勢(shì)一致。根據(jù)試驗(yàn)SN曲線實(shí)驗(yàn)，對(duì)焊縫損傷進(jìn)行計(jì)算，得到優(yōu)化方案的焊縫總損傷為0.0581，遠(yuǎn)小于1。

通過(guò)CAE分析，焊縫SN曲線實(shí)驗(yàn)及路譜采集和損傷分析，證明相同CAE分析條件下優(yōu)化方案應(yīng)力集中比原方案下降54%，優(yōu)化前后焊縫壽命曲線相差不大，優(yōu)化方案的路譜采集應(yīng)變比原方案大幅度下降，不到原方案十分之一，通過(guò)損傷分析，可以證明原方案不能通過(guò)路試耐久實(shí)驗(yàn)，與整車路試實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，通過(guò)損傷計(jì)算的結(jié)果證明優(yōu)化方案可以通過(guò)整車路試耐久實(shí)驗(yàn)，最后將產(chǎn)品送主機(jī)廠進(jìn)行路試耐久實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)整車路試耐久實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文針對(duì)排氣系統(tǒng)吊鉤焊縫在路試中出現(xiàn)斷裂的問(wèn)題進(jìn)行原因分析，分別從焊縫質(zhì)量，焊縫壽命及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行原因分析，得出焊縫質(zhì)量及焊縫壽命均符合要求，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起應(yīng)力集中過(guò)大而使得焊縫失效。

結(jié)合失效的原因，通過(guò)CAE的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力集中，最后通兩種方案的路譜采集及焊縫損傷分析，驗(yàn)證了優(yōu)化后的方案可以通過(guò)整車路試耐久實(shí)驗(yàn)，并使得樣件最終通過(guò)了整車路試耐久實(shí)驗(yàn)。

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