基于虛擬臺架疲勞分析的副車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

朱劍峰，林 逸，張 濤，寇宏濱，邱榮英

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081； 2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

前言

耐久性試驗(yàn)是轎車零部件開發(fā)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，然而汽車零部件的制造和臺架試驗(yàn)驗(yàn)證會消耗大量的人力、物力和財(cái)力，要在競爭異常激烈的汽車工業(yè)中立于不敗之地就必須不斷取得突破，迫于開發(fā)成本的考慮，耐久性虛擬臺架試驗(yàn)越來越被汽車廠商所重視。通過實(shí)物試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)汽車開發(fā)過程中關(guān)鍵零部件疲勞壽命的有效預(yù)測，大幅度減少物理樣機(jī)試驗(yàn)，以縮短研發(fā)周期，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

文獻(xiàn)[1]中結(jié)合多體力學(xué)和有限元仿真技術(shù)建立整車的虛擬仿真模型, 提出了耐久性虛擬試驗(yàn)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了汽車底盤零部件疲勞壽命的有效預(yù)估。文獻(xiàn)[2]中引入了虛擬試驗(yàn)臺概念，借助于實(shí)車道路載荷譜和有限元分析成功地進(jìn)行了后橋的疲勞壽命預(yù)測。文獻(xiàn)[3]中成功地驗(yàn)證了基于有限元的虛擬疲勞分析方法在汽車結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的可行性。耐久性虛擬試驗(yàn)技術(shù)是一種全新的、綜合性的CAE分析技術(shù)，通過引入虛擬臺架和虛擬模型可以對車輛的疲勞壽命做出準(zhǔn)確的預(yù)測。

本文中依據(jù)有限元疲勞分析方法，建立了副車架的有限元模型，結(jié)合懸架系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工況下副車架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化分析和虛擬臺架疲勞壽命分析對改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比驗(yàn)證，并通過副車架實(shí)物疲勞臺架試驗(yàn)和失效模式分析驗(yàn)證了疲勞仿真分析結(jié)果和虛擬臺架疲勞分析方法的有效性。

1 結(jié)構(gòu)疲勞預(yù)測

由于所研究對象的失效區(qū)域?yàn)椴牧媳倔w區(qū)域，故只對結(jié)構(gòu)本體進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。文中采用一種基于E-N的疲勞分析方法。基于E-N方法的Design

Life軟件疲勞壽命分析流程[4]如圖1所示。根據(jù)E-N分析方法，先按照給定的載荷譜計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變時(shí)間歷程；然后根據(jù)應(yīng)力梯度對應(yīng)變時(shí)間歷程修正；接著按照實(shí)際情況，采用相應(yīng)的組合法則從應(yīng)變時(shí)間歷程提取組合的應(yīng)變時(shí)間歷程，同時(shí)采用Neuber方法對局部應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行修正；最后對結(jié)構(gòu)應(yīng)變歷程進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)和損傷計(jì)算，得出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

E-N法采用的是疲勞累積損傷理論[5-6]，其主要核心內(nèi)容是研究在變幅載荷作用下的結(jié)構(gòu)疲勞損傷累積規(guī)律和疲勞失效準(zhǔn)則。當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí)，每一次應(yīng)力循環(huán)都會使材料產(chǎn)生相應(yīng)的損傷值。對于恒幅載荷，每次循環(huán)所造成的損傷D=1/N，N是給定應(yīng)力水平下的疲勞壽命。經(jīng)過損傷累積疊加，n次橫幅載荷所產(chǎn)生的損傷為n/N，經(jīng)推導(dǎo)后變幅載荷下的總損傷值為

(1)

式中：K為變幅載荷的應(yīng)力水平級數(shù)；ni為第i級載荷下的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。

當(dāng)損傷累計(jì)達(dá)臨界值Df時(shí)，即D=Df時(shí)，將發(fā)生疲勞失效，Df為臨界損傷和，它將直接關(guān)系到疲勞壽命的預(yù)測結(jié)果。

按照Miner線性疲勞累積損傷理論，將各個(gè)應(yīng)力幅值下的損傷累加起來就是零件的總損傷，D=1時(shí)，零件發(fā)生疲勞破壞。

(2)

式(2)被稱為Miner準(zhǔn)則。

2 副車架虛擬臺架疲勞分析方法

為能快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和在物理臺架試驗(yàn)上得到很好的驗(yàn)證，采用虛擬臺架試驗(yàn)來驗(yàn)證方案的可行性變得十分重要。虛擬臺架疲勞分析的主要思想是借助于等效載荷和有限元分析對副車架進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，驗(yàn)證改進(jìn)方案的效果，為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案的可行性提供理論依據(jù)。

為最大程度地再現(xiàn)各部件間的實(shí)際約束關(guān)系，本文中利用非線性的彈簧單元來模擬副車架各連接處的非線性橡膠襯套，剛度曲線通過實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。考慮到副車架實(shí)際安裝方式，副車架前面兩個(gè)車身連接點(diǎn)固定，后面兩個(gè)車身連接點(diǎn)通過彈簧固定(彈簧剛度和實(shí)際襯套剛度一致)，穩(wěn)定桿和副車架通過彈簧連接(彈簧剛度和實(shí)際襯套剛度一致)，完整的副車架虛擬臺架分析模型見圖2。

3 副車架路試失效

3.1 失效模式

在路試中，發(fā)現(xiàn)該副車架上片在控制臂連接處附近區(qū)域有開裂現(xiàn)象，如圖3所示。此時(shí)完成路試?yán)锍碳s20%。副車架裂紋擴(kuò)展方向垂直于邊緣，可以認(rèn)為該處失效為基材本體疲勞失效。通過對副車架結(jié)構(gòu)取樣分析，結(jié)果表明材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足材料標(biāo)準(zhǔn)，故后續(xù)工作必須對副車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.2 失效原因分析

副車架作為汽車底盤中關(guān)鍵零部件，承受著來自控制臂的縱向力與側(cè)向力、穩(wěn)定桿垂直力、轉(zhuǎn)向機(jī)側(cè)向力和動力總成后拉桿縱向力等作用力，受力情況十分復(fù)雜。通過分析副車架在各工況下失效處的應(yīng)力結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在扭曲路面工況下該失效位置的應(yīng)力最大，壽命最低，其應(yīng)力分布如圖4所示。

圖5為該工況下副車架變形圖。由圖可見，變形梯度在失效處也呈現(xiàn)最大趨勢，所以可初步判斷出該副車架失效主要由扭轉(zhuǎn)工況引起。扭轉(zhuǎn)工況下副車架所承受的載荷主要為穩(wěn)定桿垂向載荷，且左右穩(wěn)定桿連接處對副車架垂向載荷大小相等，方向相反。因此，副車架的改進(jìn)設(shè)計(jì)將主要考慮穩(wěn)定桿垂向載荷下副車架失效位置的應(yīng)力和疲勞壽命改進(jìn)效果，同時(shí)保證改進(jìn)副車架的其它部位沒有發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

4 副車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

為解決副車架上述失效問題，必須提高薄弱部位的剛度以減少其應(yīng)力應(yīng)變，考慮到其載荷的方向，改進(jìn)結(jié)構(gòu)必須在載荷的法向方向上有足夠高的剛度才能有很好的改進(jìn)效果。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)同時(shí)也參考了某些競爭車型相似的副車架內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文中采用圖6所示的加強(qiáng)板對其進(jìn)行加強(qiáng)，由于副車架整體采用2.0mm鈑材，基于經(jīng)濟(jì)性考慮該支架采用同樣材料和厚度進(jìn)行沖壓，安裝在穩(wěn)定桿連接處附近。該加強(qiáng)板下端和副車架下片利用焊縫連接，上端通過螺栓和副車架在穩(wěn)定桿連接處固定。

為了保證改進(jìn)后副車架沒有出現(xiàn)新的高應(yīng)力區(qū)域，所以要對結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的所有高應(yīng)力位置的應(yīng)力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并確保結(jié)構(gòu)失效位置應(yīng)力有一定程度下降，其它非失效部位應(yīng)保證新方案應(yīng)力水平不超過原始設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平。各關(guān)鍵點(diǎn)位置標(biāo)識如圖7所示，各主要應(yīng)力集中區(qū)域變化情況見表1。

序號懸架工況應(yīng)力變化百分比/%位置_1位置_2位置_3位置_41整備質(zhì)量434381662重載444073683雙輪跳433356564左輪跳353648565右輪跳333649396扭曲路面-左323544537扭曲路面-右323541428過坑334884899向前制動一2343529610向前制動二8796898811向后制動一90128839812向后制動二55787110213前碰2323485314后碰2525345515向左轉(zhuǎn)彎2224486116向右轉(zhuǎn)彎8794516017制動+左轉(zhuǎn)68101727018制動+右轉(zhuǎn)3645637819向前加速4937595620向后加速46355856

從表1可以看出，副車架在工況11下的2號位置點(diǎn)應(yīng)力增加，但其應(yīng)力增加后仍遠(yuǎn)低于材料屈服，所以該處應(yīng)力增加沒有失效風(fēng)險(xiǎn)，其余工況改進(jìn)后的副車架結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力基本沒有增加。說明改進(jìn)結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移，可進(jìn)行后續(xù)的有限元疲勞分析和物理樣件的疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 疲勞壽命預(yù)測

5.1 疲勞仿真分析

由于副車架在失效處的應(yīng)力大于材料屈服，其局部將會有一定的塑性應(yīng)變量，而局部的微觀塑性變形將導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，所以在對副車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)必須采用塑性應(yīng)變Neuber法則修正[7]，此外還須考慮平均應(yīng)力修正。副車架材料采用SAPH440，其相應(yīng)的E-N曲線見圖8。計(jì)算完成后輸出疲勞壽命的結(jié)果文件可利用HYPERMESH進(jìn)行后期的處理分析。

根據(jù)研究副車架扭轉(zhuǎn)工況下的載荷發(fā)現(xiàn)，作用于穩(wěn)定桿連接處的載荷時(shí)間歷程如圖9所示，載荷加載方向和整車坐標(biāo)系方向一致。

經(jīng)過疲勞計(jì)算后副車架壽命分布云圖如圖10所示，穩(wěn)定桿左右支架處壽命值，即載荷加載循環(huán)次數(shù)為3 500次，為產(chǎn)生初始可見裂紋(1～2mm)時(shí)的壽命值。

從結(jié)果可以看出，失效位置與失效模式和路試中的情況基本一致，能較好地再現(xiàn)路試失效模式，故改進(jìn)前后的副車架物理樣件的臺架試驗(yàn)可以按照這種方法來驗(yàn)證。

5.2 臺架試驗(yàn)

根據(jù)副車架實(shí)際裝配情況，搭建相應(yīng)的臺架進(jìn)行試驗(yàn)，如圖11所示。垂直方向的作動缸通過球頭和穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)連接，副車架和車身的4個(gè)連接點(diǎn)通過螺栓直接和剛性臺柱連接在一起。為了克服制造工藝等因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)對改進(jìn)前后的方案各取3個(gè)樣件進(jìn)行臺架疲勞試驗(yàn)。

參考路試中采集的穩(wěn)定桿載荷譜和懸架標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定桿處的載荷大小，同時(shí)為了加速臺架試驗(yàn)的驗(yàn)證過程，綜合考慮后，穩(wěn)定桿處載荷取3 000N，加載頻率為3～5Hz。經(jīng)臺架疲勞試驗(yàn)后的副車架裂紋擴(kuò)展如圖12所示。

從副車架臺架失效裂紋位置和擴(kuò)展方向來看，臺架失效模式基本和路試失效模式一致，臺架試驗(yàn)很好地再現(xiàn)了路試的失效，副車架疲勞實(shí)驗(yàn)壽命對比如表2所示。

從表2可以看出，改進(jìn)前的副車架本體開裂時(shí)，裂紋已經(jīng)擴(kuò)展，可以判斷初始裂紋時(shí)的循環(huán)次數(shù)和計(jì)算值很接近了，改進(jìn)后的副車架臺架試驗(yàn)無裂紋產(chǎn)生，試驗(yàn)和計(jì)算相關(guān)度達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了明顯的改進(jìn)效果。

表2 副車架垂直加載疲勞壽命

6 結(jié)論

(1)建立了虛擬臺架疲勞分析模型，通過疲勞分析發(fā)現(xiàn)失效位置與試驗(yàn)失效位置基本一致，疲勞計(jì)算壽命和物理臺架試驗(yàn)壽命數(shù)值差距不大，其誤差可以接受，確保了該方法對結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性。

(2)副車架改進(jìn)后經(jīng)過臺架試驗(yàn)無可見裂紋產(chǎn)生，且結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)壽命已達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)值，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)其它部位無應(yīng)力轉(zhuǎn)移。

(3)采用這種虛擬臺架疲勞分析可快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，虛擬臺架試驗(yàn)快速高效的特點(diǎn)，將有助于副車架的設(shè)計(jì)優(yōu)化，給前期設(shè)計(jì)和后期驗(yàn)證帶來很大的方便，縮短了后續(xù)改進(jìn)和物理驗(yàn)證的時(shí)間。

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