電動轎車副車架的疲勞試驗及仿真分析

2010-02-28 13:32:36廖君

制造業自動化 2010年14期

廖君

LIAO Jun

（浙江同濟科技職業學院，杭州 311231）

0 引言

電動汽車作為一種以燃料電池作為電源的電動汽車，具有能耗低、熱效率高、零污染、過載能力強等特性，對于緩解如今全球所面臨的緊迫的石油緊缺和日益嚴重的環境污染問題有著重大而深遠的意義。對于電動汽車來說，由于目前車載電池的比能量和比功率仍然偏小，無法使車輛達到足夠大的加速性能和續駛里程要求，而且其對布置空間要求較高，對車身總布置影響較大，所以減輕自身質量對這一類汽車就顯得更為重要。

1 副車架振動疲勞試驗

某燃料電池轎車副車架采用的材料為普通鋼材，經過15萬公里振動強化試驗，振動強化試驗總時間為117小時50分，其中振幅為100%的試驗時間為62小時11分。振動期間共發生故障21例，其中冷卻及管道系統故障1例，占4.8%，機械連接故障11例，占52.4%，電氣故障9例，占42.8%。在振動強化試驗過程中，副車架橫梁與橫向穩定桿左右連接處焊接部分出現裂紋故障共發生四次，是汽車正常行駛過程中較嚴重的故障類別。副車架橫梁與橫向穩定桿左右連接點內側第一次出現裂紋時，累計振動當量行駛里程為108803.26km，間隔里程為108803.26km。第二次副車架橫梁與橫向穩定桿左右連接點外側出現裂紋時，累計振動當量行駛里程為133887.95km，間隔行駛里程為25084.69km。第三次此類故障發生時，同樣是在左右連接點外側出現裂紋，累計振動當量行駛里程為140089.5km，間隔行駛里程為6201.55km。第四次副車架橫梁與橫向穩定桿左右連接點外側出現裂紋時，累計振動當量行駛里程為145278.57km，間隔行駛里程為5189.07km。如表1所示。

表1 副車架與橫向穩定桿連接處出現裂紋故障里程分布

明顯看出，故障發生間隔里程隨著振動當量總里程數的增加而顯著減小，說明此種故障發生概率直線上升，處于故障高發階段。

2 疲勞概念及基本理論

2.1 疲勞的基本概念

當材料或結構受到多次重復變化的荷載作用后，應力值雖然沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，這種在交變荷載重復作用下材料或結構的破壞現象，就叫做疲勞破壞。

材料或結構在交變載荷作用下的強度稱為疲勞強度。

在一定循環特征R下，材料或結構可以承受無限次應力循環而不發生疲勞破壞的最大應力Smax稱為疲勞極限，一般用Sr表示。

疲勞壽命是疲勞失效時所經受的應力或應變的循環次數，一般用N表示。試樣的疲勞壽命取決于材料的力學性能和所施加的應力水平。外加應力水平和標準試樣疲勞壽命之間關系的曲線稱為材料S-N曲線。

2.2 疲勞累計損傷理論

疲勞破壞是一個累積損傷過程，目前疲勞理論眾多，但是在工程實際中Miner線性累積損傷理論最為常用。Miner理論認為，在循環荷載作用下零件的損傷是線性累積的，零件發生破壞時其累積損傷量為1，若在單一循環荷載作用下，零件的破壞壽命為N，N次循環后損傷為1，則n次循環的損傷為n/N。當零件承受多級循環荷載S1、S2、……Sm時，則其發生破壞時的損傷為：

式中：ni—載荷Si下的循環數；Ni—零件在單一荷載Si下的破壞壽命。

Miner理論認為荷載次序對損傷沒有影響，并且不考慮殘余應力、應變硬化等因素對損傷的影響，故估算壽命時，可能偏于保守，也可能偏于不安全。在工程應用中，一般把破壞條件改為：

對不同類型的零部件，a取各自合理的經驗值。對機械零件，國外一般推薦a＝0.7，而國內也有人推薦a＝0.68。

應用Miner理論可以進行零部件壽命估算，其主要步驟如下：

1）道路荷載譜的測量及處理，當量歷程數確定。也可以僅對某一荷載下的零件進行壽命估計。

2）S-N曲線試驗。

3）繪制等壽命曲線。需要靜強度參數如強度極限或屈服極限。

4）用Miner理論進行壽命估算。設某零件荷載譜最后計算得到的損傷為D，該荷載譜的當量里程數為M0，則該零件壽命M（當量使用里程數）為：

3 副車架疲勞斷裂仿真分析

3.1 整車模型建立及振動仿真

由于副車架前橫梁與橫向穩定桿連接處出現疲勞裂紋的振動臺強化試驗，路面位移輸入采用EVP強化路面實車采集迭代譜，路面位移輸入幅值大，而且左右輪側的位移輸入不一致，因此橫向穩定桿受大幅度垂向交變力和扭矩。其中的交變力都相應的傳遞到副車架橫梁上去，因此副車架受到的載荷屬于大幅度交變載荷。由于副車架在強化振動試驗時受力狀態復雜，所以在adams環境下模擬整車振動試驗，建立整車虛擬振動模型。根據試驗數據，包括某些部件重量、三向轉動慣量、質心等，其他沒有參數的部件（如橡膠襯套）根據數模和資料進行估計和計算，副車架和橫向穩定桿則采用柔性體建模，即在patran環境下建立有限元模型，計算26階模態mnf文件作為adams輸入文件，保留并建立必要的rigid單元以連接柔性體和剛性體。車輪剛度和阻尼采用試驗數據建模，并和振動臺建立接觸。如圖1所示。

根據實車振動試驗的試驗加載譜在四個振動臺分別加載時域路譜，左，右側前輪路譜如圖2所示。

圖1 Adams整車振動臺架模型

圖2 試驗左右前輪振動路譜

盡量采用試驗路譜的情況下，對整車振動模型進行39.2秒仿真，輸出26通道振動dac文件。

3.2 原副車架疲勞仿真分析及結果

在fatigue環境下導入副車架26階模態應力文件，進行基于應力的初始裂紋疲勞分析。MSC.fatigue自帶大量種類齊全的材料疲勞數據文件，此外fatigue也可以根據UTS和E自動生成材料，本文根據材料參數生成對應材料的疲勞特性文件，以26階模態應力為應力結果，導入adams生成的26通道荷載文件進行仿真。分析結果如下：

1）疲勞循環次數：如圖3所示。

圖3 原副車架疲勞循環周期

2）損傷指數：如圖4所示。

圖4 原副車架疲勞損傷指數

從疲勞壽命結果云圖來看，副車架最低循環次數為737次，相當于試驗進行8.025個小時，出現在右側縱梁彎曲處。副車架與橫向穩定桿連接橫梁處疲勞壽命很低，損傷也在此處集中。由于此處橫向穩定桿橡膠襯套與副車架進行焊接，所以此處金屬抗疲勞性能受較大影響，所以在此處先出現疲勞斷裂。由于仿真材料參數和理論方法都采用比較保守的數據和算法，所以結果與試驗相比偏低，但仍在合理范圍之內，且位置與試驗結果吻合，而且可以預見，副車架縱梁彎曲處將是另外的疲勞斷裂危險處。

3.3 新副車架疲勞仿真分析及結果

同樣采用上述方法，用新材料的副車架進行nastran-adams-fatigue的聯合仿真，建立的新老adams模型對比如圖5所示。