轎車后副車架多軸疲勞分析

程穩正 曹征棟 于長清 霍福祥

（中國第一汽車股份有限公司技術中心汽車振動噪聲和安全控制綜合技術國家重點實驗室）

1 前言

轎車底盤零部件在轎車行駛過程中承受來自路面的隨機激勵，其壽命受到各方向載荷的影響。多軸疲勞壽命預測技術直接采用隨機載荷譜，與車輛實際使用環境更接近，在產品開發中得到廣泛應用。轎車的后副車架多為鋼板焊接結構，對其進行多軸疲勞分析的關鍵是焊接位置的壽命預測，文獻[1]和文獻[2]綜述了焊縫壽命預測的一些方法，指出焊縫壽命預測主要取決于兩方面:一是準確獲得焊縫位置附近節點的結構應力響應歷程，二是具有綜合考慮各種影響因素的焊縫數據庫。

本文以某轎車五連桿獨立后懸架的副車架為研究對象，通過在有限元模型中布置虛擬應變片，獲得了隨機載荷譜作用下裂紋位置的應變歷程，并與試驗測試結果進行比較，驗證了計算模型所獲得的結構應力響應歷程的準確性。在此基礎上，運用具有比較完整焊縫數據庫的疲勞分析軟件FEMFAT對焊縫位置的壽命進行了預測。

2 多軸疲勞壽命計算

多軸疲勞壽命計算的主要環節見圖1。

2.1 單位載荷應力計算

單位載荷應力計算的目的是得到各通道單位載荷作用下的每個節點的應力張量，為多通道載荷譜作用下應力張量的線性疊加提供輸入條件。

利用有限元計算單位載荷應力的方法有2種，一種方法是通過多體動力學分解輪心載荷到零部件，再通過有限元計算零部件的應力；另一種方法是通過簡化系統模型，直接在輪心位置加載通道單位載荷得到零部件應力。第1種方法對于受力點比較少的零部件非常適用，但對于受力點多的零部件顯得比較繁瑣；第2種方法省去了載荷分解工作，但對模型簡化的合理性要求較高。

2.2 危險截面等效應力計算

目前，對多軸疲勞的研究普遍采用臨界平面法，即首先通過分析多軸疲勞應力確定臨界平面，然后在臨界平面上建立多軸疲勞損傷參量。由于確定臨界平面采用的依據不同，形成了不同的研究方法，如以最大剪應力平面、最大正應力平面或兩者某一線性組合為最大的平面等作為臨界平面[3，4]。本文采用等效應力計算方法[5]，并綜合考慮了正應力和剪切應力的影響。

等效應力計算式為:

式中，σeq為等效應力；sign（σN）為由法向應力確定的正負號；σN為法向應力；σW，ZD為交變拉壓載荷疲勞極限；τW，T為交變剪切載荷疲勞極限；τx、τy分別為 x向和y向的剪切應力。

2.3 疲勞損傷值計算

影響結構疲勞壽命的因素有應力梯度、存活率、平均應力、表面質量和焊接等，這些因素均應被考慮。本文采用疲勞分析軟件FEMFAT來考核焊接位置的影響。FEMFAT有比較完整的焊縫數據庫，具有多種標準的焊縫類型，每種焊縫類型包含焊接缺口系數、HAIGH圖、S/N曲線、板厚影響數據等。焊縫的缺口應力疲勞極限基于試驗數據獲得[6]。

采用Palmgren-Miner線性累積損傷計算方法計算疲勞損傷值，即

式中，∑D為累積損傷值；ni為應力為σi時的循環次數；Ni為應力為σi時的疲勞壽命。

對于隨機載荷，試驗件破壞的臨界損傷值在1附近[7]。

3 有限元模型驗證

3.1 臺架試驗

某轎車在開發過程中采用道路載荷測試系統，在產品開發初期獲得了代表我國用戶使用工況的載荷譜。測試路況涵蓋高速、城郊結合、一般公路、山區、城市、不平整路等典型路況特征，結合農安試車場性能路測試載荷譜，通過載荷譜關聯獲得了與用戶使用環境相當的臺架試驗載荷譜。利用MTS329整車道路模擬系統進行后懸架系統8通道隨機載荷譜激勵疲勞試驗，試驗目標為載荷譜500循環。8通道載荷分別為前后方向、上下方向、左右方向及制動載荷，懸架兩側各4個通道，試驗裝置見圖2；應變片布置在垂直于焊縫的位置，見圖3。

3.2 有限元模型建立

某轎車后懸架為五連桿獨立懸架，副車架與車身之間有4個帶有橡膠襯套的安裝點，副車架與轉向節之間通過4個連桿和1個彈簧托臂相連接，彈簧、減振器、緩沖塊等組裝后連接到彈簧托臂上。由于副車架受力點較多，采用了系統模型直接在輪心施加臺架試驗各通道單位載荷。取后副車架為研究對象，其它零部件均采用簡化結構，約束后懸架與車身連接部位。計算模型見圖4。

3.3 分析結果與測試結果比較

在有限元模型中布置虛擬應變片，如圖5所示。虛擬應變片采用兩點定義，劃分網格時的單元形狀為規則的四邊形，且節點位置與實際應變片位置保持一致。對比結果見圖6和圖7。

比較圖6和圖7可看出，有限元簡化模型的計算結果與測試結果吻合良好，表明計算模型有效。

4 壽命預測與結構改進

壽命預測損傷值分布見圖8。由圖8可看出，在前上控制臂支架焊縫的A位置和B位置處損傷值較大，與臺架試驗出現裂紋的位置（圖9）相吻合。

為降低這2個位置的損傷值，對零件結構進行了改進。改進措施為:增加前上控制臂支架的厚度并更改結構的形狀；增加管梁的厚度。為避免有限元網格質量對計算結果的影響，在對比分析過程中，嚴格保證不同模型焊接位置網格的質量，并保持相似性。改進結構前、后損傷值比較見表1。

表1 結構改進前、后損傷值比較

由表1可知，改進結構后，A點損傷值降低約66%，B點損傷值降低約51%，改進結構通過了臺架試驗。

需要說明的是，焊縫疲勞強度數據是有限的，而且實際結構中接頭類型較復雜，計算分析模型中定義的焊縫屬性與實際情況不一定相符；此外，焊縫位置受工藝因素的影響很大，其壽命存在很大的離散性。這些都會導致計算分析結果與試驗結果存在一定差異，故損傷值計算結果和臺架試驗壽命并不成比例關系，但趨勢是一致的。

5 結束語

探討了臺架試驗多軸疲勞壽命預測的方法，通過多軸疲勞分析，解決了某轎車后副車架臺架試驗出現裂紋的問題，并得出:

a.臺架試驗測試應變片歷程和有限元計算結果吻合良好，證明有限元模型是正確的，從而簡化了多軸疲勞各通道應力場的獲取方法；

b.通過臺架試驗工況的壽命預測分析，找到了臺架試驗的危險位置和損傷值，為結構改進提供了目標參考；

c.采用CAE分析和臺架試驗相結合的方法能有效預測結構的壽命并指導結構優化設計，縮短產品開發周期。

1 周張義，李芾，卜繼玲.基于名義應力的焊接結構疲勞強度評定方法研究.內燃機車，2007（7）.

2 周張義，李芾.基于表面外推的熱點應力法平板焊趾疲勞分析研究.鐵道學報，2009,31 （5）:90～96.

3 王雷，王德俊.多軸疲勞壽命預測及驗證.東北大學學報（自然科學版），2002，23 （2）.

4 王英玉，姚衛星.材料多軸疲勞破壞準則回顧.機械強度，2003，25（3）.

5 FEMFAT V4.7 help document.Max,Page 137.

6 FEMFAT V4.7 help document.Weld,Page 7.

7 姚衛星.結構疲勞壽命分析.北京:國防工業出版社，2003.