賓 凌

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

某6X2載貨車，雙后橋形式，最后一根軸為提升橋。該車在完成90%的可靠性道路試驗(yàn)里程時出現(xiàn)提升橋固定支座（后面簡稱固定支座）開裂的問題。需要對固定支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

開裂的部位是在固定支座的吊耳與側(cè)板之間的焊縫處，如圖1所示。很顯然，該問題屬于典型的疲勞失效故障，可以采用疲勞壽命分析方法來校核固定支座的強(qiáng)度，又因?yàn)殚_裂部位是在其焊縫處，因此決定采用焊接疲勞分析方法校核其強(qiáng)度。

圖1 固定支座開裂部位

1 焊接疲勞分析的理論

本次分析涉及兩個理論：Miner線性累積損傷、有效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法。

Miner線性累積損傷理論認(rèn)為[1]，構(gòu)件在k個應(yīng)力水平Si作用下，各經(jīng)過ni次循環(huán)，則其總損傷可以表示為：

式中，D——總損傷；

Di——某一應(yīng)力水平Si作用下的損傷；

ni——某一應(yīng)力水平Si作用的循環(huán)次數(shù)；

Ni——某一應(yīng)力水平Si作用的總循環(huán)次數(shù)；

k——應(yīng)力水平數(shù)量。

當(dāng)D<1時，構(gòu)件是安全的；當(dāng)D≥ 1時，構(gòu)件會發(fā)生破壞。

有效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的原理是[2]：當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時，焊縫的焊趾上產(chǎn)生的應(yīng)力由結(jié)構(gòu)應(yīng)力和缺口應(yīng)力兩部分組成。結(jié)構(gòu)應(yīng)力與外力互相平衡，而缺口應(yīng)力處于自平衡狀態(tài)。因此，在有限元計(jì)算中，在外力給定的條件下，無論焊趾單元上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量有多少，所有節(jié)點(diǎn)的合力總是與外力平衡的，通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力來求解焊縫的疲勞壽命，結(jié)果具有高度一致性，這就避免了網(wǎng)格尺寸對計(jì)算結(jié)果的影響問題。

節(jié)點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可表示為：

式中，n——節(jié)點(diǎn)數(shù)；

t——單元厚度；

L-1——單元長度等效矩陣的逆矩陣；

Fyn——各節(jié)點(diǎn)力；

Mxn——各節(jié)點(diǎn)力矩；

l1～ln-1——各節(jié)點(diǎn)間距離。

2 分析基本流程

對固定支座進(jìn)行焊接疲勞分析，基本流程如下：

（1）確定載貨車行駛的典型道路及比例關(guān)系，分別在每種典型道路下，按整車重載行駛狀態(tài)，測量一段里程下固定支座的外載荷時域數(shù)據(jù)。

（2）創(chuàng)建固定支座的靜力學(xué)有限元模型，按準(zhǔn)靜態(tài)法計(jì)算單位載荷作用下的固定支座焊縫的應(yīng)力結(jié)果。

（3）將外載荷時域數(shù)據(jù)和應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到疲勞分析軟件中，計(jì)算固定支座焊縫的疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）

（4）判斷疲勞壽命結(jié)果是否滿足要求，如果不滿足，更改固定支座結(jié)構(gòu)，重復(fù)（2）、（3）步驟。

3 固定支座外載荷的獲取

3.1 受力分析

固定支座的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由多塊不同厚度的鈑金件拼焊而成，材料均為510 L鋼材，其屈服強(qiáng)度為355 MPa，抗拉強(qiáng)度 ≥ 510 MPa。

圖2 固定支座的結(jié)構(gòu)

固定支座的在整車中的裝配關(guān)系如圖3所示。它的前端與氣囊固定在一起，氣囊的底部固定在車架上，固定支座的吊耳與橫向推力桿的一端鉸接，橫向推力桿可以繞著鉸接軸小角度轉(zhuǎn)動，橫向推力桿另一端鉸接在車架上，而固定支座的底部則焊接在提升橋的橋殼上。

圖3 固定支座裝配關(guān)系

在整車可靠性道路試驗(yàn)時，提升橋?yàn)槁涞貭顟B(tài)，提升橋兩端的車輪與地面接觸，對整車起支撐作用，此時氣囊處于放氣狀態(tài)，剛度很小，氣囊對固定支座的作用力可以忽略不計(jì)。如果將提升橋兩端看成是固定約束，那么固定支座主要受到橫向推力桿的作用力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，橫向推力桿對固定支座的彎矩和扭矩非常小，可以忽略不計(jì)，因此固定支座主要受到橫向推力桿的軸向力作用。

3.2 測量載荷

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，該載貨車主要在高速公路、一般公路（包括國道、省道）及市區(qū)環(huán)城路行駛，其總設(shè)計(jì)里程和各道路比例見表1所示。

表1 測試的典型道路及比例關(guān)系

測量載荷的方法是：按整車總重25 t狀態(tài)，分別在各典型道路上行駛，測量出橫向推力桿的軸向載荷時域數(shù)據(jù)，采樣頻率為512 Hz，最終測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型道路測試數(shù)據(jù)（部分）

4 固定支座的有限元分析

4.1 工況簡化

由于車輛在行駛中提升橋會上下跳動，這就造成橫向推力桿對固定支座的作用力不僅大小在變化，角度也在不斷變化，因此存在無數(shù)種工況。為簡化工況，經(jīng)過3D幾何關(guān)系校核，發(fā)現(xiàn)提升橋運(yùn)動到上下兩個極限位置時，橫向推力桿軸向夾角只有11.4°，如果將固定支座受到的作用力的角度設(shè)成該夾角的中間值，那么作用力角度誤差最多只有5.7°，這是可以接受的。如此一來，固定支座的靜力學(xué)工況可以簡化為一種，即固定支座的吊耳上施加單位載荷，載荷的角度設(shè)置為橫向推力桿在上下極限位置夾角的中間值。

4.2 有限元模型創(chuàng)建

創(chuàng)建固定支座的靜力學(xué)有限元模型，如圖5所示。模型中包含整個固定支座以及一段提升橋橋殼，橋殼兩端設(shè)置為固定約束，約束6個方向自由度，在固定支座吊耳上的螺栓孔處施加單位載荷。

圖5 固定支座有限元模型

由于研究的對象為焊縫，因此還需要創(chuàng)建焊縫的特征，焊縫的分布和形狀如圖6所示。整個模型采用實(shí)體網(wǎng)格劃分，其中焊縫采用六面體或五面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為2 mm，提升橋橋殼和固定支座采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3 mm。

圖6 固定支座上的焊縫

4.3 有限元計(jì)算

經(jīng)過計(jì)算，得到固定支座的應(yīng)力結(jié)果，如圖7所示。

圖7 單位載荷作用下的應(yīng)力云圖

5 焊接疲勞分析過程

5.1 焊接疲勞分析設(shè)置

本次焊接疲勞分析主要采用Fe-Safe軟件中的Verity焊接疲勞分析模塊。該模塊的一大特色是基于有效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，疲勞計(jì)算結(jié)果對模型的網(wǎng)格不敏感，可有效的排除網(wǎng)格尺寸對疲勞計(jì)算結(jié)果的影響。

將測試得到的載荷時域數(shù)據(jù)和固定支座的應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到Fe-Safe中，然后進(jìn)行疲勞分析工況和焊縫參數(shù)的設(shè)置。

這里分別創(chuàng)建高速公路、一般公路、市區(qū)環(huán)城路三種工況，指定每種工況下的應(yīng)力結(jié)果和對應(yīng)的載荷時域數(shù)據(jù)，同時設(shè)定載荷的重復(fù)倍數(shù)，該重復(fù)倍數(shù)由典型道路的總里程除以同一種道路下所測得的載荷時域數(shù)據(jù)的對應(yīng)里程得來，不同道路的總里程可根據(jù)表1中道路比例關(guān)系換算得到。

焊縫的參數(shù)設(shè)置主要是在Verity模塊中完成。需要設(shè)置每條焊縫上焊趾的單元集和節(jié)點(diǎn)集，每條焊趾第一個單元的編號、法向以及第一個節(jié)點(diǎn)的編號，其目的是由Verity來計(jì)算焊趾上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。最后是指定焊縫的材料疲勞屬性，Verity自帶有多種類型的焊接材料疲勞屬性，本次分析選擇50%存活率的鋼材料焊接疲勞屬性。

5.2 焊接疲勞計(jì)算結(jié)果

完成所有設(shè)置后，進(jìn)行焊接疲勞計(jì)算，疲勞壽命結(jié)果如圖8所示。圖中顯示的焊縫壽命數(shù)值為對數(shù)形式，從結(jié)果可知，固定支座吊耳與側(cè)板之間的焊縫處最小壽命為100.1049，即1.273，表示重復(fù)完成總設(shè)計(jì)里程的次數(shù)為1.273次，概率為50%。在實(shí)際中固定支座未能通過可靠性試驗(yàn)，因此需要對其結(jié)構(gòu)做改進(jìn)。

圖8 固定支座的焊縫疲勞壽命云圖

6 固定支座改進(jìn)方案和焊接疲勞分析

6.1 改進(jìn)方案說明

為降低開裂部位焊縫的應(yīng)力，同時兼顧制造成本，決定只增大吊耳的尺寸，將吊耳向下延伸至提升橋橋殼上，并與橋殼焊接在一起，同時在吊耳內(nèi)部增加加強(qiáng)板。改進(jìn)方案的結(jié)構(gòu)如圖9中b）所示。

圖9 原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案的對比

6.2 焊接疲勞分析及結(jié)果對比

按同樣的分析方法，對改進(jìn)方案做焊接疲勞計(jì)算，疲勞壽命結(jié)果如圖10所示。從結(jié)果可知，改進(jìn)方案的焊縫最小壽命為100.2645，即1.839次。

圖10 改進(jìn)方案的焊縫疲勞壽命云圖

將原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方案的焊縫疲勞壽命進(jìn)行對比，如表2所示。從表中可以看出，改進(jìn)方案的焊縫疲勞壽命比原結(jié)構(gòu)提升了44%，考慮到原結(jié)構(gòu)在完成90%的可靠性路試時才出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，改進(jìn)方案疲勞應(yīng)該能夠滿足強(qiáng)度要求。

表2 固定支座新老結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比

隨后，對改進(jìn)方案進(jìn)行了整車可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中沒有再出現(xiàn)開裂問題，順利通過試驗(yàn)，從而驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。

7 結(jié)論

（1）基于有效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對固定支座的焊縫進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測，并根據(jù)分析結(jié)果對固定支座做了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并按同樣方法對改進(jìn)方案做了焊接壽命預(yù)測。分析結(jié)果表明，改進(jìn)方案比原結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提升了44%，隨后通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的可行性。

（2）采用這種分析方法有兩個優(yōu)點(diǎn)，一是計(jì)算結(jié)果受有限元模型網(wǎng)格尺寸的影響很小，能夠更準(zhǔn)確的分析變化趨勢；二是該分析方法的計(jì)算結(jié)果為壽命里程，與設(shè)計(jì)目標(biāo)為同一物理量，能夠很直觀地判斷分析結(jié)果是否能滿足設(shè)計(jì)要求。