汽車減震器彈簧盤疲勞仿真分析?

陳芳芳，杜艷平

（1.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024；2.北京印刷學院，北京 102600）

0 引言

汽車在道路行駛時會受到各種交變載荷的作用，交變載荷一般低于零件材料的拉伸強度極限，在載荷的反復作用下零部件會有裂紋萌生和擴展并導致突然斷裂，這種現象就是疲勞破壞。彈簧盤作為重要的承載零件，其可靠性不僅與汽車行駛的平順性和汽車操縱的穩定性有關，還關系到汽車行駛的安全性問題。

本文結合工程實例通過對前懸架系統力學建模，采用Workbench軟件對彈簧盤進行應力計算，并利用S－N 曲線和Goodman修正理論分析不同載荷狀況下彈簧盤疲勞壽命，對彈簧盤進行疲勞壽命預測和結構優化，并通過疲勞臺架試驗驗證了其有效性。

1 有限元和疲勞分析理論

Workbench 是ANSYS 公司提出的協同仿真環境，用于解決企業產品研發過程中CAE 軟件的異構問題，它提供了一個加載和管理API的基本框架。

1.1 疲勞分析方法

當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用會產生破壞現象，稱為疲勞破壞，其承受起破壞作用的循環載荷的循環次數或時間被稱為疲勞壽命。疲勞壽命分析是指確定疲勞壽命的方法。

根據載荷類型的不同，疲勞分析方法可分為靜態疲勞分析、瞬態疲勞分析和動態疲勞分析。通常當結構的一階固有頻率大于3倍載荷頻率時，可采用靜態疲勞分析方法；若是結構固有頻率與載荷頻率接近則適用動態疲勞分析方法；在對隨機載荷作用下的零件進行疲勞分析時應采用瞬態疲勞分析方法。

1.2 名義應力壽命法

常用的計算疲勞壽命的方法有名義應力壽命法、裂紋擴展計算法和局部應變壽命法。其中，名義應力壽命法又被稱為S－N 法，其設計思路為：把材料SN 曲線作為出發點，考慮各種系數的影響，并根據曲線進行抗疲勞設計。其流程如圖1所示。

圖1 名義應力壽命法流程圖

2 減震器彈簧盤分析實例

應用ADAMS動力學仿真軟件，通過從系統載荷譜求得結構動力響應的時間歷程，利用有限元法計算出各危險部位的應力，并結合材料的基本疲勞性能數據進行結構壽命的估算。多體有限元疲勞分析流程見圖2。

根據懸架中各零部件之間的相對運動關系，建立四分之一懸架系統動力學模型。利用ADAMS 路面譜模生成程序生成一組隨機路面數據并導入，采用AKISPL的樣條函數將生成的路譜隨機序列作為驅動激勵源。系統動力學模型如圖3所示。

圖2 多體有限元疲勞分析流程圖

圖3 四分之一懸架系統動力學模型

彈簧盤材料為冷軋鋼板2.0－GB／T708－88，材料選擇結構鋼（Structural Steel），冷軋鋼板彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.3，屈服極限為221MPa，強度極限為300 MPa?？紤]平均應力對疲勞壽命的影響，選擇Goodman理論對平均應力進行修正，結合等效應力云圖和疲勞壽命圖可知，彈簧盤應力集中與疲勞損傷均發生于凸包區域。

3 彈簧盤結構優化設計

針對分析的結果，需要進行彈簧盤結構優化設計，主要針對彈簧盤凸包進行優化，優化方案可以針對彈簧盤整體進行，例如增加彈簧盤的厚度，改用強度更大的彈簧盤鋼板材料等，也可以從彈簧盤結構出發，重新設計凸包區域的形狀。

3.1 厚度或材料的改變

增加彈簧盤的厚度或更換強度更高的彈簧盤鋼板材料均可以達到設計要求，如把彈簧盤的厚度增加為t＝3mm，進行疲勞仿真分析的結果如圖4所示。

3.2 結構改變

由靜強度和疲勞仿真分析可知，需降低凸包區域的應力水平。因此，將凸包區域擴大，同時使凸包區域面與彈簧接觸區域面的相對落差變小，以使結構過渡更加圓滑（如圖5所示），這樣可以有效減小應力集中，增大彈簧盤的疲勞壽命。用Workbench對其進行疲勞仿真分析，結果如圖6所示。由仿真分析結果可知，滿足設計要求。

4 彈簧盤疲勞試驗分析

為了驗證疲勞仿真分析結果的正確性，分別對原彈簧盤和凸包結構優化后的彈簧盤進行疲勞壽命試驗。

圖4 厚度t＝3mm 彈簧盤的壽命云圖

圖5 凸包結構優化圖

圖6 凸包優化后彈簧盤的壽命云圖

4.1 試驗條件

進行彈簧盤疲勞壽命試驗，所用的試驗設備為電液伺服動靜萬能試驗機，試驗樣件個數為5個，試驗要求的垂向加載力為614N～6 140N，加載頻率為2Hz，目標為當加載6 140N 時，疲勞壽命達到138 000次。

4.2 試驗結果分析

分別對5個結構優化前、后彈簧盤樣件進行疲勞試驗，結構優化前彈簧盤壽命分別為11.5萬次、10.2萬次、12.8萬次、11.7萬次和12.2萬次；結構優化后的彈簧盤壽命 分 別 為18.5 萬 次、19.3 萬 次、18.8 萬次、17.5萬次和19.1萬次。彈簧盤樣件試驗結果表明：優化前彈簧盤疲勞損傷發生于凸包區域，與疲勞仿真分析結果一致；優化后的彈簧盤疲勞壽命滿足設計要求，在使用期限內不會發生疲勞損傷。

5 結語

本文介紹了結構疲勞分析和壽命預測的基本方法，針對某一轎車減震器彈簧盤進行分析，通過強度分析，確定了彈簧盤薄弱環節。在懸架動力學仿真分析的基礎上，運用Workbench對減振器彈簧盤在隨機載荷下的強度和疲勞壽命進行分析，結果發現彈簧盤應力集中與疲勞損傷均發生于凸包區域，與疲勞試驗結果吻合，從而驗證了有限元疲勞仿真分析的可行性。

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