丁 芳，王愛國，倪晉挺

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

汽車的副車架不是一個(gè)完整的車架，它屬于前后車橋的構(gòu)成，類似前后車橋的骨架，對前后車橋、懸架起支撐作用，使之與“正車架”相連，所以稱為“副架”[1]。前副車架是非常重要的底盤結(jié)構(gòu)件，能夠?yàn)檗D(zhuǎn)向機(jī)、下擺臂和穩(wěn)定桿等提供安裝定位基準(zhǔn)[2]。通過對前副車架的損壞故障類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出90%故障是由于其結(jié)構(gòu)疲勞失效引起[3]，因此，在副車架開發(fā)過程中必須要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以確保它的疲勞壽命能夠滿足要求[4]，安全行車。本文對某車型副車架進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)生疲勞斷裂，因此，需要對該副車架進(jìn)行疲勞分析，提高疲勞壽命。文獻(xiàn)[5]中驗(yàn)證了在汽車結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)中運(yùn)用有限元法的虛擬疲勞分析方法的可行性。

1 問題的提出

為了檢驗(yàn)和確保某乘用車前懸架的質(zhì)量特性——疲勞強(qiáng)度，依據(jù)實(shí)車相同構(gòu)架制作的相關(guān)夾具進(jìn)行安裝，對某乘用車前副車架總成和前控制臂總成在開發(fā)階段進(jìn)行縱向力一定載荷級(jí)別的正弦加載臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，縱向力試驗(yàn)相當(dāng)于前懸架承受水平方向的剎車載荷與起動(dòng)載荷，試驗(yàn)規(guī)范要求是載荷循環(huán)次數(shù)大于300 000次。在試驗(yàn)過程中，為了排除制造工藝等因素的影響，選取3件試驗(yàn)樣品，將副車架和車身連接處進(jìn)行約束固定，采取剛性固定，限制6個(gè)方向的自由度。載荷施加在左右球頭銷軸徑上，左右載荷同步、同頻，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范，對3件試驗(yàn)樣品施加幅值為7 000 N、頻率為1～3 Hz的正弦交變載荷，載荷施加在左右球頭銷軸徑上，左右載荷同步、同頻、同值，方向如圖1所示。

圖1 前副車架總成縱向力試驗(yàn)

在試驗(yàn)過程中，若發(fā)現(xiàn)橡膠襯套或其他陪試零件提前損壞或失效，應(yīng)及時(shí)更換損壞零件繼續(xù)做試驗(yàn)，直至前副車架總成和前控制臂總成發(fā)生疲勞破壞，疲勞裂紋達(dá)到10 mm以上，即可判定失效，試驗(yàn)終止。圖2為前副車架總成縱向力試驗(yàn)照片。

圖2 前副車架總成縱向力試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果：所有3個(gè)樣件均在90 000～100 000之間發(fā)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展方式如圖3所示由外向里形成。

圖3 疲勞試驗(yàn)裂紋分布

觀察3個(gè)樣件的疲勞裂紋，可知其疲勞損傷位置大致相同，都是局部開裂，發(fā)生在副車架和控制臂連接處，足以說明原設(shè)計(jì)在該位置存在缺陷，為提高該副車架的疲勞壽命，必須對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析并提出改進(jìn)方案。根據(jù)目前推行的疲勞耐久性分析方法，可以運(yùn)用基于有限元法的疲勞分析來模擬臺(tái)架試驗(yàn)，針對副車架的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，并對改進(jìn)方案進(jìn)行分析驗(yàn)證[6]。

2 耐久性分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 有限元模型建立

使用Hypermesh軟件對副車架和控制臂總成進(jìn)行幾何清理，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)副車架采用S4殼單元，由于四邊形殼單元位移模式的次數(shù)高于三角形殼單元，能更好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算精度更高[7]，因此，在建模時(shí)單元主要采用四邊形；控制臂用C3D8實(shí)體單元建模；焊點(diǎn)采用BEAM模擬；焊縫按照連續(xù)處理，采用同厚度的殼單元模擬，所用材料屬性和母材相同；連接部分采用不同類型的connector模擬[8]。圖4為副車架有限元模型。圖5為副車架局部模型。

圖4 副車架和控制臂總成有限元模型

圖5 副車架局部模型

為了進(jìn)一步提高模型的精度，采用合理的單元對特殊位置進(jìn)行模擬?？刂票酆透避嚰苤g連接處的尼龍襯套剛度較大，在分析時(shí)可以將尼龍襯套簡化為剛性連接[9]。以實(shí)際工況為標(biāo)準(zhǔn)，參考臺(tái)架試驗(yàn)的實(shí)際固定位置進(jìn)行約束，載荷施加在控制臂左右球頭銷軸徑上，左右載荷同步、同頻、同值。載荷幅值為7 000 N、頻率為1～3 Hz。

2.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

1)分析一：控制臂與副車架之間采用剛性連接，應(yīng)力云圖如圖6所示，忽略掉由于剛性連接引起的集中應(yīng)力，該副車架最大應(yīng)力為307.5 MPa。如圖所示，最大應(yīng)力分布區(qū)域與臺(tái)架試驗(yàn)裂紋區(qū)域完全一致，說明有限元模型精確。

圖6 控制臂與副車架之間剛性連接應(yīng)力云圖

2)分析二：控制臂與副車架之間用尼龍襯套的剛度參數(shù)模擬，應(yīng)力云圖如圖7所示，忽略該副車架的集中應(yīng)力，知最大應(yīng)力為307 MPa，此應(yīng)力大小與分布情況同上述分析一結(jié)果一致。這表明尼龍襯套的剛度數(shù)值相對較高，可以簡化為剛性連接。

圖7 尼龍襯套剛度參數(shù)應(yīng)力云圖

2.3 副車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

2.3.1 改進(jìn)方案及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

對副車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行取樣分析，分析的結(jié)果表明副車架使用材料的力學(xué)性能和化學(xué)成分都能滿足材料標(biāo)準(zhǔn)，因此，排除這兩個(gè)因素導(dǎo)致的疲勞失效，應(yīng)重點(diǎn)對該副車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改進(jìn)。由于副車架3個(gè)樣件的疲勞損傷位置為局部開裂，判斷該位置(點(diǎn)A處)存在缺陷，應(yīng)針對此處進(jìn)行改進(jìn)，以提高副車架總成的疲勞壽命，因此，在疲勞裂紋形成區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)[10]，增加材料使薄弱處結(jié)構(gòu)弧度減小，圖8為對副車架進(jìn)行局部加強(qiáng)示意圖。局部加強(qiáng)后進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，應(yīng)力云圖如圖9所示，原疲勞損傷位置(點(diǎn)A處)結(jié)構(gòu)應(yīng)力由307 MPa下降到186 MPa，最大應(yīng)力位置下移至點(diǎn)B，數(shù)值為277 MPa，可見局部加強(qiáng)方案效果明顯。

圖8 副車架局部加強(qiáng)示意圖

圖9 改進(jìn)方案應(yīng)力云圖

2.3.2S-N曲線擬定

對副車架進(jìn)行仿真應(yīng)力分析，獲得邊界載荷歷程和材料疲勞特性，將其輸入到MSC.Fatigue中進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析。點(diǎn)擊Analysis按鈕設(shè)置疲勞分析方法，選擇S-N法。通過Materials Database Manager設(shè)置材料相關(guān)參數(shù)，根據(jù)廠家提供的資料，該副車架材料為QSTE420TM，參數(shù)如表1所示，在Fatigue中輸入?yún)?shù)信息，按照經(jīng)驗(yàn)公式估算，系統(tǒng)自動(dòng)生成材料的S-N曲線，能夠反映結(jié)構(gòu)所受外應(yīng)力S和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命N兩者的關(guān)系，如圖10所示。

表1 QSTE420TM材料參數(shù)

圖10 材料估算所得S-N曲線

2.3.3 疲勞壽命分析

采用名義應(yīng)力法對副車架改進(jìn)前后的方案進(jìn)行耐久分析，名義應(yīng)力法根據(jù)材料的S-N曲線，對照結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷部位的名義應(yīng)力，結(jié)合疲勞損傷累積理論，分析結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，采用名義應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算的步驟如圖11所示。表2為副車架改進(jìn)前后和理想應(yīng)力水平的疲勞壽命，結(jié)果顯示改進(jìn)后副車架的疲勞壽命有顯著提高。對于原始方案，計(jì)算結(jié)果為5.52×104次時(shí)出現(xiàn)初始裂紋。試驗(yàn)結(jié)果顯示循環(huán)次數(shù)9×104至10×104時(shí)，形成了圖示裂紋，可見二者有很好的一致性。對于改進(jìn)方案，應(yīng)力水平下降到277 MPa，循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到18.5×104次，較原方案提高2.35倍，但仍不滿足目標(biāo)值30×104次，需要進(jìn)一步更改結(jié)構(gòu)。

圖11 名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟

表2 副車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后疲勞壽命

2.3.4 進(jìn)一步改進(jìn)方案

針對第一次改進(jìn)方案中的最大應(yīng)力位置下移至點(diǎn)B處，對點(diǎn)B處區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步局部加強(qiáng)，使點(diǎn)B處的結(jié)構(gòu)弧度減小，圖12為對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步局部加強(qiáng)的示意圖。對再次改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，圖13為分析應(yīng)力云圖，可知副車架疲勞損傷位置最大應(yīng)力由277 MPa下降到213 MPa，小于材料的疲勞極限265 MPa，能夠通過疲勞試驗(yàn)測試。

圖12 進(jìn)一步局部加強(qiáng)示意圖

圖13 進(jìn)一步改進(jìn)方案應(yīng)力云圖

副車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)除了要重點(diǎn)考慮疲勞失效位置的應(yīng)力大小和疲勞壽命改進(jìn)效果，同時(shí)還應(yīng)保證改進(jìn)后的副車架其他部位不會(huì)發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，因此，改進(jìn)后還須對副車架和控制臂進(jìn)行有限元應(yīng)力分析[11]。圖14所示為副車架上體整體應(yīng)力云圖，顯示最大應(yīng)力為224 MPa；圖15為控制臂整體應(yīng)力云圖，顯示最大應(yīng)力小于190 MPa。兩者結(jié)合可以得知，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，副車架整體最大應(yīng)力為224 MPa，小于材料的疲勞極限，驗(yàn)證了在點(diǎn)A處和點(diǎn)B處區(qū)域進(jìn)行局部加強(qiáng)的改進(jìn)方案的可行性。

圖14 副車架上體整體應(yīng)力云圖

圖15 控制臂整體應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

1)副車架疲勞試驗(yàn)控制臂與副車架之間采用尼龍襯套連接，剛度較大，分析時(shí)可以將其簡化為剛性連接，二者結(jié)果基本一致；分析結(jié)果表明副車架最大應(yīng)力區(qū)域與疲勞裂紋形成位置完全一致。

2)在疲勞裂紋形成區(qū)域局部加強(qiáng)后，發(fā)生裂紋處的應(yīng)力由307 MPa下降到186 MPa；此外，副車架最大應(yīng)力位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，最大應(yīng)力為277 MPa。進(jìn)一步的疲勞分析表明，局部加強(qiáng)后，仍然不能滿足試驗(yàn)要求。

3)副車架經(jīng)過二次局部加強(qiáng)后，最大應(yīng)力下降到213 MPa，遠(yuǎn)小于理想應(yīng)力水平265 MPa，預(yù)計(jì)疲勞壽命能達(dá)到理想目標(biāo)值，且改進(jìn)后的副車架其他部位沒有發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，驗(yàn)證了二次局部加強(qiáng)方案的可行性。