于宏濱，田翠翠

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虛擬臺(tái)架在汽車底盤零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

于宏濱1，田翠翠2

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141；2.華晨中華汽車公司，遼寧 沈陽 110044）

以某車型板簧減震器支架疲勞試驗(yàn)為例，利用Solidworks軟件建立疲勞臺(tái)架試驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)，并完成臺(tái)架試驗(yàn)，通過對(duì)零部件失效部位進(jìn)行分析，確定失效模式，通過臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬臺(tái)架仿真反復(fù)相互校核的對(duì)比方式，得到零部件最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。文章通過上述實(shí)例來探討虛擬臺(tái)架仿真在汽車底盤零部件疲勞試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要作用，從而形成一個(gè)閉環(huán)的汽車底盤零部件的開發(fā)流程，有助于提高汽車底盤零部件開發(fā)的效率。

汽車底盤；失效分析；虛擬臺(tái)架；臺(tái)架試驗(yàn)

前言

某車型進(jìn)行后懸架結(jié)構(gòu)改造，將原有的螺旋彈簧懸架結(jié)構(gòu)改造為鋼板彈簧懸架結(jié)構(gòu)，從而提高該車型承載能力來滿足客貨兩用的需求。其中以借用其他車型鋼板彈簧減震器支架的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)過程為例，論述如何應(yīng)用Solid -works軟件建立疲勞臺(tái)架試驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建的虛擬試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行失效分析，疲勞壽命仿真，同時(shí)配合臺(tái)架試驗(yàn)達(dá)到優(yōu)化臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和汽車底盤零部件設(shè)計(jì)的目的。

1 臺(tái)架試驗(yàn)載荷的建立

1.1 道路載荷譜的處理

通過在減震器本體沿著減震器軸向布置T型應(yīng)變橋，并且通過試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)微應(yīng)變和軸向力的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，使數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接輸出軸向的力載荷譜。并在北京試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化路面以半載工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過Glyphworks數(shù)據(jù)分析軟件處理后，得到對(duì)應(yīng)的道路載荷譜，應(yīng)變傳感器布置方式和半載工況減震器軸向載荷譜如圖1、2所示。

圖1 應(yīng)變傳感器布置方式[1]

圖2 半載工況減震器軸向載荷譜-[2]

利用Glyphworks數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)減震器軸向載荷譜進(jìn)行偽損傷計(jì)算，再利用同一數(shù)學(xué)模型對(duì)減震器軸向載荷譜進(jìn)行偽損傷等效運(yùn)算，將隨機(jī)載荷譜等效成定頻等幅值載荷譜。半載定頻等效等幅值載荷譜如圖3、4所示。

圖3 單循環(huán)等效等幅值載荷譜-[2]

圖4 10公里強(qiáng)化路面等效等幅值載荷譜-[2]

1.2 疲勞試驗(yàn)條件的建立

從圖3、4得出，等效等幅值載荷譜的一個(gè)力值循環(huán)為F=1.5kN±3kN，頻率為f=1Hz。10公里強(qiáng)化路面的道路載荷等效為20個(gè)循環(huán)。根據(jù)相關(guān)汽車行業(yè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，某車型底盤零部件半載需要通過9000公里的強(qiáng)化道路試驗(yàn)才能滿足設(shè)計(jì)要求，因此該減震器支架需要承受180000次循環(huán)才能滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)底盤后懸架總成數(shù)模結(jié)合多體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到減震器支架受力正方向?yàn)檠豘X平面第四象限與X+軸夾角60o方向，如圖5所示。

圖5 減震器支架受力方向示意圖

由此可最終確定減震器支架的疲勞試驗(yàn)條件為：F=1.5 kN±3kN，f=1Hz，沿ZX平面第四象限與X+軸夾角60o方向?yàn)檎较蚣虞d，承受180000 循環(huán)不得出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，720000循環(huán)未開裂則停止試驗(yàn)。

2 虛擬臺(tái)架仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 虛擬臺(tái)架設(shè)計(jì)與試驗(yàn)臺(tái)架建立

首先根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)條件，利用Solidworks軟件建立疲勞臺(tái)架試驗(yàn)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)減震器支架疲勞試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行設(shè)計(jì)和虛擬搭建，建立減震器支架疲勞試驗(yàn)臺(tái)架。如圖6、7所示。

圖6 減震器支架虛擬臺(tái)架設(shè)計(jì)[3]

圖7 減震器支架試驗(yàn)臺(tái)架建立

2.2 虛擬臺(tái)架仿真和失效分析

圖8 -1.5kN應(yīng)力109MPa[6]

圖9 4.5kN應(yīng)力326.9MPa[6]

減震器支架經(jīng)過首輪臺(tái)架試驗(yàn)約130000循環(huán)時(shí)，在減震器鏈接桿根部焊縫發(fā)生開裂現(xiàn)象（裂紋約10mm）。材料為QSTE550TM，屈服極限550Mpa[4]，通過虛擬臺(tái)架COSMOS -works仿真分析，結(jié)合Glyphworks軟件計(jì)算得疲勞壽命為52356循環(huán)[5]，估計(jì)疲勞壽命約為52356~209424循環(huán)，說明借用減震器支架不能滿足該車型設(shè)計(jì)要求。虛擬臺(tái)架仿真分析結(jié)果和失效外觀如圖8、9、10所示。

圖10 失效外觀

從仿真結(jié)果看出，減震器支架開裂的部位和虛擬臺(tái)架仿真分析最大應(yīng)力集中部位一致，從而判定減震器失效原因是由于連接處根部焊縫應(yīng)力集中過大造成的。

3 零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)虛擬臺(tái)架仿真結(jié)果和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的綜合對(duì)比，減震器支架失效部位和最大應(yīng)力集中部位一致，所以如何分散或降低應(yīng)力集中是優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。借用減震器支架結(jié)構(gòu)和減震器支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖11、12所示。

圖11 借用減震器支架結(jié)構(gòu)

圖12 減震器支架優(yōu)化結(jié)構(gòu)

首先根據(jù)減震器支架的結(jié)構(gòu)來看，連接處相當(dāng)于一個(gè)圓柱形懸臂，而試驗(yàn)載荷施加在懸臂的端部，根部和支架本體的焊縫部位相當(dāng)于杠桿的支撐點(diǎn)，根部承受的是試驗(yàn)交替力值作用在懸臂端部形成的彎矩造成的交替應(yīng)力。

降低應(yīng)力主要有兩種方案，一是增大圓桿直徑，從而增大剛度來抵抗彎矩；二是減短懸臂的長(zhǎng)度從而減少彎矩的幅值。由于空間和裝配位置的限制，增大圓桿直徑提高剛度顯然作用微乎其微，所以以第二種方案為主，由于安裝位置不變，所以圓桿的長(zhǎng)度不能變，因此將本體加長(zhǎng)20mm，相當(dāng)于縮短懸臂20mm，同時(shí)彌補(bǔ)因本體加長(zhǎng)給本體鈑金增加的彎矩，將圓桿直徑增加1mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)后虛擬臺(tái)架仿真分析結(jié)果如圖13、14所示。

圖13 -1.5kN應(yīng)力83.33Mpa[6]

圖 14 4.5kN應(yīng)力251.5MPa[6]

從仿真結(jié)果可以看出，減震器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)后根部焊縫應(yīng)力降低至優(yōu)化設(shè)計(jì)之前的76.8%。再結(jié)合Glyphworks 軟件計(jì)算得疲勞壽命為239669循環(huán)[3]，估計(jì)疲勞壽命約為239669~958676循環(huán)，理論上滿足該車型零部件設(shè)計(jì)要求。第二輪臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)3個(gè)優(yōu)化后的減震器支架進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 優(yōu)化后減震器支架試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

將虛擬臺(tái)架同時(shí)應(yīng)用于輔助設(shè)計(jì)和疲勞仿真中，既可以有效地將試驗(yàn)樣件結(jié)構(gòu)材料參數(shù)和試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)材料參數(shù)作為統(tǒng)一的整體進(jìn)行分析，使零部件的約束條件和仿真結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確；又可以將仿真結(jié)果和臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)和相互校核，從而為零部件失效分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)有效的閉環(huán)的試驗(yàn)驗(yàn)證與零部件設(shè)計(jì)開發(fā)流程。

[1] MTS. Durability Test Technology for Ground Vehicles and Components [Z]. USA: MTS, 2001.

[2] Ncode. HBM Glyphworks work examples [Z]. USA: MTS, 2010.

[3] SRAC. Solidworks Reference [Z]. USA: MTS, 2007.

[4] GB/T222-2006, 鋼的成品化學(xué)成分允許偏差[S].

[5] Ncode. Glyphworks Fatigue Damage Examples [Z]. USA: MTS, 2010.

[6] SRAC. Solidworks Cosmos Works [Z]. USA: MTS, 2007.

Application of Virtual Test Bench in Optimization Design of Parts of Automotive Chassis

Yu Hongbin1, Tian Cuicui2

（1.Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141; 2.Brilliance Automotive Company Limited, Liaoning Shenyang 110044）

The paper takes plate spring damper bracket fatigue test of a vehicle type as an example. The virtual test bench was designed by fatigue bench test aided design platform which built by Solidworks. And then accomplish the bench test. The failure mode is determined by analyzing the failure position of the chassis parts. The bench test and simulation of virtual test bench can be checked each other through the comparison of themselves. Then the final optimized design scheme of the chassis parts can be confirmed. In this paper, the important effect of simulation of virtual test bench for the bench test and optimization design of chassis parts will be discussed through the example stated above. Then a closed loop of the develop -ment process for automobile chassis parts can be built. It will help to improve the efficiency of automobile chassis parts development.

Automotive Chassis; Failure Analysis; Virtual Test Bench; Bench Test

B

1671-7988(2018)20-103-03

U467

B

1671-7988(2018)20-103-03

U467

于宏濱，男，碩士學(xué)位，中級(jí)職稱，就職于華晨汽車工程研究院，任疲勞臺(tái)架試驗(yàn)工程師，主要從事道路載荷譜分析處理，零部件失效分析，整車及底盤零部件疲勞臺(tái)架試驗(yàn)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.038