申成振，栗林濤，段增旭，任歡，王健

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

1 過渡支架優(yōu)化過程概述

根據(jù)某商用車制造商在區(qū)域市場(chǎng)調(diào)研時(shí)的反饋：某批次有3輛份整車出現(xiàn)了尿素系統(tǒng)過渡支架的裂紋和斷裂失效。設(shè)計(jì)人員收集故障件信息并初步分析：該零件年使用量已超過15000件，近1年來的故障率PPM＜1600，而且是下半年比上半年要高；其失效模式為疲勞損傷（出現(xiàn)裂紋）以及由此產(chǎn)生的疲勞斷裂。分析和優(yōu)化過程如下：

首先復(fù)原故障件數(shù)模，擬定兩個(gè)結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化方案，并進(jìn)行零件強(qiáng)度和疲勞壽命CAE仿真。然而，基于材料S-N曲線(名義應(yīng)力法)對(duì)故障件的疲勞壽命仿真結(jié)果中，個(gè)別裂紋開裂點(diǎn)的數(shù)據(jù)（疲勞壽命）達(dá)到了無限壽命指標(biāo)；這與故障件該處有疲勞裂紋萌發(fā)的事實(shí)相悖。

然后根據(jù)斷裂力學(xué)初始裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展原理，結(jié)合故障件疲勞損傷處的形貌察看，分析了CAE仿真的個(gè)別數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)偏差的原因。同時(shí)分析出優(yōu)化方案一仍存在失效風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化方案二提高了零件的表面質(zhì)量,更契合優(yōu)化需求。最終明確了故障件的優(yōu)化措施。

2 故障件失效的初步分析

1）察看故障件

復(fù)原故障件的三維模型和裂紋開裂源位置如圖1所示，零件采用510L的熱軋型材沖壓工藝成形，其外形展開如圖2所示。復(fù)原數(shù)模將開裂源點(diǎn)1折彎處處理為“張開型”初始開裂裂紋。

故障件如圖3-圖6。在圖1所示的3個(gè)開裂源均出現(xiàn)裂紋；同時(shí)開裂源點(diǎn)1和點(diǎn)2可能會(huì)發(fā)展為斷裂。圖3所示故障件，用記號(hào)筆對(duì)點(diǎn)1和點(diǎn)2裂紋發(fā)展痕跡進(jìn)行了標(biāo)記；圖4中用戶采用補(bǔ)焊對(duì)裂紋和斷裂處進(jìn)行了臨時(shí)處理。

圖1 復(fù)原故障件的模型

圖2 復(fù)原故障件的展開料

圖3 點(diǎn)1和點(diǎn)2裂紋圖示

圖4 點(diǎn)1裂紋和點(diǎn)2斷裂圖示

圖5 點(diǎn)1和點(diǎn)2斷裂圖示

圖6 點(diǎn)1和點(diǎn)3裂紋、點(diǎn)2斷裂圖示

2）故障件失效模式和失效機(jī)理的初步分析

察看故障件斷裂源表面開裂點(diǎn)2和點(diǎn)3的落料區(qū)域表面粗糙，可見明顯的加工刀痕；開裂點(diǎn)1區(qū)域加工表面粗糙，可見明顯的加工刀痕，同時(shí)折彎處沒有導(dǎo)裂槽。

初步分析故障件疲勞損傷的機(jī)理為：在外部交變應(yīng)力作用下，故障件在裂紋開裂區(qū)域存在相對(duì)的應(yīng)力集中；同時(shí)該處鈑金零件加工后表面粗糙，加工表面會(huì)伴有“張開”、“滑開”和“撕裂”型等微小開裂缺陷，從而誘啟了在開裂源的裂紋和裂紋發(fā)展；分析開裂點(diǎn)2區(qū)域的展開料，此處落料處過渡不圓滑，在粗糙的表面伴有相對(duì)的應(yīng)力集中.更易疲勞損傷。

基于安裝空間結(jié)構(gòu)限制和失效分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化，提出兩個(gè)優(yōu)化方案（如圖8）。

圖7 零件裝配示意

圖8 故障件及優(yōu)化方案強(qiáng)度分析

3 零件的強(qiáng)度與疲勞壽命仿真分析

零件裝配關(guān)系示意如圖7所示。復(fù)原故障件、方案一和方案二的形式見圖8依次所示的三個(gè)數(shù)模，方案二相比方案一主要在開裂源點(diǎn)2處增加了翻邊工藝（如圖10所示）。分別進(jìn)行了制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和垂直三種工況的強(qiáng)度仿真，其中在整車垂直工況(6g加載)應(yīng)力最大（如圖8所示），其疲勞壽命分析結(jié)果如圖9所示，最小疲勞周次依次為1.86×105、1.14×106和 3.35×106。

圖9 故障件及優(yōu)化方案疲勞壽命分析

圖10 方案二的軸側(cè)圖

數(shù)據(jù)結(jié)論為：強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求；兩個(gè)優(yōu)化方案均達(dá)到疲勞無限壽命要求；故障件開裂源點(diǎn)1處疲勞壽命未滿足設(shè)計(jì)要求，點(diǎn)2和點(diǎn)3均達(dá)到無限壽命要求?；谳p量化考量，方案一是最佳優(yōu)化方案。

但數(shù)據(jù)偏差在于：故障件除落料表面粗糙外，其它外形尺寸均合格。按仿真數(shù)據(jù)結(jié)論，復(fù)原故障件的點(diǎn)2和點(diǎn)3疲勞壽命分析結(jié)果，故障件不應(yīng)在此出現(xiàn)裂紋；有悖于此處有疲勞損傷的事實(shí)。

4 結(jié)合斷裂力學(xué)原理對(duì)優(yōu)化方案的再分析

以上疲勞壽命分析方法是基于材料的S-N曲線的名義應(yīng)力法，該方法分析過程簡(jiǎn)捷、常用，其分析結(jié)論具有應(yīng)用指導(dǎo)價(jià)值。應(yīng)力云圖的應(yīng)力集中區(qū)域與所察看的故障件基本一致，印證了故障件失效機(jī)理分析的正確性。

結(jié)合斷裂力學(xué)的裂紋萌生和擴(kuò)展原理，以及對(duì)故障件的察看，產(chǎn)生壽命偏差的原因是：名義應(yīng)力法計(jì)算應(yīng)力時(shí)忽略了小裂紋裂尖應(yīng)力影響，也就是對(duì)故障件加工刀痕和表面缺陷的影響分析不足。

斷裂力學(xué)疲勞裂紋演化過程，如圖11所示[1]，該理論尤其適合故障件這種出現(xiàn)初始裂紋后，對(duì)于其剩余疲勞壽命的分析和計(jì)算（采用Paris或相關(guān)修正公式計(jì)算）。由于故障件主要是長(zhǎng)裂紋和斷裂的疲勞損傷并存的，其開裂區(qū)域目測(cè)表面粗糙度大于 Ra25μm，可以推斷這個(gè)初始裂紋是從開裂區(qū)域表面萌生和發(fā)展而來的。

圖11 斷裂力學(xué)的疲勞裂紋演化過程分析

對(duì)于故障件所假設(shè)的初始裂紋(覆蓋0.1-0.5mm)[2]分析，其壽命評(píng)估計(jì)算有一定的不確定性，

且分析過程相對(duì)繁雜，需擬合帶表面缺陷的故障件的強(qiáng)度因子，并獲得初始裂紋缺陷,進(jìn)而分析故障件剩余疲勞壽命[3]。

而本文故障件的優(yōu)化目標(biāo)是：分析優(yōu)化措施是否有效和確認(rèn)選哪一個(gè)優(yōu)化方案的問題。因此只需找出基于S-N曲線的名義應(yīng)力法分析結(jié)果的偏差，再利用斷裂力學(xué)初始裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展原理來分析優(yōu)化方案有效性即可。初始裂紋假定為加工粗糙表面的缺陷，一方面解釋了名義應(yīng)力法壽命計(jì)算偏差原因，而且可以指導(dǎo)分析優(yōu)化措施有效性。

方案一由于表面質(zhì)量沒有實(shí)質(zhì)性改善，故障件形貌說明該方案仍有失效風(fēng)險(xiǎn)；方案二提高了零件的表面質(zhì)量,更契合優(yōu)化需求；同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)[4]對(duì)缺口形態(tài)規(guī)則性與裂紋擴(kuò)展速度的結(jié)論分析:優(yōu)化方案帶翻邊（如圖10所示）,說明通過展開料的光滑過渡等優(yōu)化措施是有效的。

對(duì)于故障率提升，我們進(jìn)行了這樣推測(cè)：故障件的加工模具和刀具的損耗，會(huì)使故障件開裂源區(qū)域表面缺陷增多，進(jìn)而增加了裂紋的起裂機(jī)率，從而表現(xiàn)在故障件PPM值的變化上。如果推測(cè)是正確的，也印證了：表面質(zhì)量對(duì)故障件的疲勞損傷影響是不容忽視的。

5 所確認(rèn)的最終故障件優(yōu)化方案

結(jié)合CAE分析結(jié)果，以及斷裂力學(xué)關(guān)于初始裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展原理分析，確認(rèn)方案二為最終優(yōu)化方案。優(yōu)化后的零件切換后，經(jīng)市場(chǎng)批量應(yīng)用，一直未收到優(yōu)化后零件的故障反饋。

6 結(jié)論

1）采用基于S-N曲線和斷裂力學(xué)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展理論，均可以計(jì)算零件疲勞壽命。對(duì)于產(chǎn)生裂紋且表面比較粗糙的故障件，采用前一種方法有時(shí)會(huì)在粗糙表面的開裂處產(chǎn)生分析偏差；采用后一種方法原理可以進(jìn)行補(bǔ)充和完善，并制定和選擇合理的優(yōu)化措施。

2）對(duì)于鈑金材料的熱軋鋼板沖壓件，其疲勞損傷的故障件往往在疲勞開裂點(diǎn)附近存在表面刀痕的形貌，制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施時(shí)，需要考慮初始斷裂裂紋萌生的影響，如考慮展開料進(jìn)行光滑過渡、增加翻邊工藝等優(yōu)化措施都是有效的。