姜能惠，倪晉挺，李 琤

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

0 引 言

副車(chē)架位于車(chē)身和懸架之間，是二者的連接件。汽車(chē)行駛時(shí)，受到來(lái)自路面的各種力、力矩和振動(dòng)沖擊等，都會(huì)通過(guò)副車(chē)架緩沖后再傳遞到車(chē)身，所以副車(chē)架的疲勞壽命及剛度和強(qiáng)度等都會(huì)影響到汽車(chē)的行駛安全性和平穩(wěn)性[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的分析表明，約有90%的副車(chē)架故障是由結(jié)構(gòu)疲勞失效引起的，而疲勞失效模式主要是開(kāi)裂、斷裂，因此，對(duì)副車(chē)架進(jìn)行疲勞耐久性分析尤為重要。對(duì)某乘用車(chē)路試出現(xiàn)的疲勞斷裂進(jìn)行疲勞耐久性分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)比分析優(yōu)化前后的疲勞損傷值，使結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞耐久性能要求。

1 理論基礎(chǔ)

疲勞損傷的含義是指物體在循環(huán)載荷的作用下，其價(jià)值或用途變小。損傷量有兩種：微觀層面的微裂紋密度、位錯(cuò)密度等，以及宏觀層面的剩余剛度和強(qiáng)度、壽命比等，據(jù)此衍生了兩類(lèi)疲勞損傷描述方法，一類(lèi)是疲勞損傷累計(jì)理論，另一類(lèi)是裂紋增長(zhǎng)規(guī)律。基于疲勞損傷累計(jì)理論中的線(xiàn)性累計(jì)損傷理論對(duì)后副車(chē)架進(jìn)行疲勞分析。

由于受到循環(huán)載荷的作用，對(duì)疲勞損傷進(jìn)行線(xiàn)性累加，累加后的損傷值達(dá)到一個(gè)數(shù)值后，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，稱(chēng)為線(xiàn)性疲勞損傷理論。該理論中最經(jīng)典的是Miner理論，核心內(nèi)容是對(duì)于等幅載荷，假設(shè)1次循環(huán)載荷引起的損傷為D=1/N，其中N為當(dāng)前載荷下的疲勞壽命。如果經(jīng)過(guò)損傷累加，n次循環(huán)載荷引起的總損傷應(yīng)為D=n/N，因此，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)后得出，變幅載荷下，結(jié)構(gòu)的總損傷值為式(1)：

(1)

其中，Ni表示對(duì)應(yīng)當(dāng)前載荷水平下的疲勞壽命，當(dāng)循環(huán)次數(shù)等于疲勞壽命，即當(dāng)n=N時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，此時(shí)的疲勞損傷稱(chēng)為臨界疲勞損傷[3]。

2 問(wèn)題描述

某乘用車(chē)在1.5萬(wàn)公里強(qiáng)化路試耐久性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)后副車(chē)架開(kāi)裂，位置如圖1所示，這表明該乘用車(chē)的后副車(chē)架設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到疲勞耐久性能要求。由于此斷裂處不是焊縫，裂紋的延伸方向與邊緣垂直，初步判斷屬于材料本體的疲勞失效[4]。為了驗(yàn)證該乘用車(chē)的疲勞強(qiáng)度，提高后副車(chē)架的質(zhì)量可靠性，保障行車(chē)安全，需要找到疲勞失效的根本原因和結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此，基于實(shí)車(chē)采集的道路載荷譜，運(yùn)用多體虛擬迭代技術(shù)以及疲勞耐久性分析[5]，再現(xiàn)疲勞失效位置，檢驗(yàn)仿真分析的精確性，從而提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案并驗(yàn)證，技術(shù)研究路線(xiàn)如圖2所示。

圖1 后副車(chē)架開(kāi)裂位置

圖2 技術(shù)研究路線(xiàn)圖

3 后副車(chē)架疲勞損傷驗(yàn)證

3.1 采集道路載荷譜

在疲勞耐久性分析中，疲勞載荷譜的獲取是分析的基礎(chǔ)，獲取方法通常有兩種，一種是全分析法，另一種是半分析法。全部采用數(shù)字模型進(jìn)行路面仿真的方法稱(chēng)為全分析法，而半分析法指的是采用將輪心六分力加載到軸頭的方法[6]。

為了使疲勞分析更接近實(shí)際工況，選用半分析法，實(shí)車(chē)采集試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜。由于汽車(chē)行駛時(shí)輪心處的載荷分量為三個(gè)力和三個(gè)力矩，即縱向力、側(cè)向力、垂向力、縱向力矩、側(cè)向力矩、垂向力矩，可以通過(guò)六分力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得。通過(guò)安裝在車(chē)輪上的六分力傳感器，在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行道路載荷譜采集，采集路況有沖擊坑、長(zhǎng)石塊路、不規(guī)則石塊路以及扭曲路。采集的信號(hào)總時(shí)長(zhǎng)為600s采樣頻率512Hz，24個(gè)通道，采集路況和車(chē)速如表1所示。

表1 采集路況和車(chē)速

載荷譜采集完成后，由于采集的載荷為隨機(jī)信號(hào)，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行前處理，包括去除毛刺、噪聲、漂移、濾波等，通過(guò)位移反求加載法求解副車(chē)架的邊界載荷，為疲勞仿真分析提供準(zhǔn)確的輸入條件。

3.2 建立有限元模型

由于該汽車(chē)后副車(chē)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要在CATIA三維軟件中建立對(duì)應(yīng)的后副車(chē)架三維模型，如圖3所示。然后將副車(chē)架的三維模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行幾何清理、修補(bǔ)等前處理工作，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了提高有限元模型的精確度，采用四邊形的殼單元，焊點(diǎn)采用剛性單元BEAM模擬，連接部分采用connector模擬[7]，最小網(wǎng)格的邊長(zhǎng)不小于10mm，四邊形的雅克比大于0.6，得到后副車(chē)架的有限元模型，如圖4所示。

圖3 后副車(chē)架三維模型

圖4 后副車(chē)架的有限元模型

3.3 疲勞損傷分析

將上述處理后的后副車(chē)架網(wǎng)格模型導(dǎo)入Workbench，根據(jù)實(shí)際工況，約束自由度，并將垂向約束加在左右兩個(gè)控制臂上，控制臂與后副車(chē)架的連接方式為剛性連接，根據(jù)廠(chǎng)家提供的材料屬性，設(shè)置后副車(chē)架材料為ZGD410-700，參數(shù)如表2所示。

表2 ZGD410-700材料屬性

根據(jù)路試損傷出現(xiàn)的部位，將重點(diǎn)考察副車(chē)架對(duì)稱(chēng)位置，即1#和1-1#兩點(diǎn)設(shè)置為危險(xiǎn)點(diǎn)，如圖5所示，由Workbench進(jìn)行有限元求解。將處理后的載荷譜、有限元求解結(jié)果導(dǎo)入Ncode Designlife軟件[8]，在該軟件中搭建疲勞分析模塊，建立后副車(chē)架疲勞分析流程。

圖5 后副車(chē)架考察點(diǎn)位置標(biāo)示圖

通過(guò)Ncode軟件疲勞分析計(jì)算，得到后副車(chē)架疲勞損傷圖，最大損傷部位如圖6所示，對(duì)比路試開(kāi)裂結(jié)果，失效位置一致，即分別對(duì)應(yīng)1#和1-1#，且1#部位的疲勞損傷為0.73，1-1#部位的疲勞損傷為1.95。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于焊點(diǎn)位置，損傷值超過(guò)1將容易導(dǎo)致疲勞失效，對(duì)于鈑金位置，損傷值超過(guò)0.2將容易導(dǎo)致開(kāi)裂。可見(jiàn)1#和1-1#兩處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了損傷值0.2的標(biāo)準(zhǔn)[8]，說(shuō)明此處屬于易開(kāi)裂位置，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，同時(shí)該損傷值也說(shuō)明疲勞分析計(jì)算結(jié)果較為精確，可以做改進(jìn)設(shè)計(jì)后的疲勞驗(yàn)證。

圖6 后副車(chē)架損傷圖

4 后副車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)廠(chǎng)家提供的該后副車(chē)架的材料分析，其材料本身力學(xué)性能滿(mǎn)足要求，同時(shí)，由于1#和1-1#兩處疲勞損傷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，因此，應(yīng)針對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，即將開(kāi)裂處加強(qiáng)筋橫斷面加寬，增加加強(qiáng)筋的厚度，如圖7所示。

圖7 后副車(chē)架局部加強(qiáng)圖

對(duì)優(yōu)化后的后副車(chē)架重新進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，得到疲勞損傷結(jié)果如圖8所示。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的1#損傷值為0.0031，1-1#損傷值為0.0156，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.2的標(biāo)準(zhǔn)值，疲勞耐久性顯著增加，且優(yōu)化后后期路試中此處并未開(kāi)裂。

圖8 優(yōu)化后的后副車(chē)架損傷圖

5 結(jié) 論

(1)將某乘用車(chē)的后副車(chē)架作為研究對(duì)象，從路試開(kāi)裂現(xiàn)象分析可能原因，通過(guò)采集道路載荷譜，建立有限元模型，設(shè)置疲勞特性參數(shù)，借助Ncode疲勞損傷仿真計(jì)算，損傷結(jié)果表明預(yù)測(cè)危險(xiǎn)點(diǎn)與路試危險(xiǎn)點(diǎn)較為一致，表明疲勞仿真計(jì)算的可行性。

(2)根據(jù)計(jì)算進(jìn)一步提出局部加強(qiáng)優(yōu)化方案，并再次進(jìn)行疲勞損傷驗(yàn)證，優(yōu)化后的疲勞損傷值遠(yuǎn)小于開(kāi)裂標(biāo)準(zhǔn)值，達(dá)到疲勞要求，并在后期路試中未見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，表明對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng)的有效性。