前副車架焊縫疲勞分析和壽命優化

鄧雄志　蘭鳳崇　譚東升

摘要：為評估前副車架的耐久性能，利用FEMFAT分析某汽車前副車架的疲勞壽命.提出焊縫不同區域單元的尺寸要求和焊縫連接單元的厚度要求，以保證前副車架焊縫的局部應力真實可信；采用S-N法預測焊縫疲勞壽命，計算得到的開裂位置和行駛距離與道路試驗吻合良好；通過加強局部結構并重新布置焊縫位置，使前副車架通過耐久試驗測試.分析表明：通過規范焊縫的建模要求，根據實際結構設置合適的焊縫類型，可準確預測焊縫的疲勞壽命，指導焊縫布置，優化產品結構.

關鍵詞：汽車； 副車架； 疲勞； 單元尺寸； 焊縫； 結構優化； 耐久試驗； S-N法

中圖分類號： U462.36； TB115.1

文獻標志碼：B

Abstract：To evaluate the durability of front sub-frame， the fatigue life of the front sub-frame of an automobile is analyzed by FEMFAT. The requirements on element size around weld and thickness of weld connection elements are proposed to ensure the reliability of the local weld stress of the front sub-frame； the weld fatigue life is predicted by S-N method， and the crack location and the automobile travel distance are well consistent with those obtained by road test； the local structure enhancement and weld re-layout are implemented to make the front sub-frame pass the durability test. The analysis indicates that， by specifying the requirements on weld modeling and choosing reasonable weld type according to the real structure， the weld fatigue life can be predicted accurately， which can guide the weld layout and optimize the product structure.

Key words：automobile； sub-frame； fatigue； element size； weld； structure optimization； durability test； S-N method

0引言

在日常使用中車輛的主要載荷來自于動力總成和地面，前副車架直接承擔來自動力總成和底盤桿系的載荷，是極易發生疲勞破壞的結構之一.因此，對前副車架進行疲勞性能評估是汽車設計過程中必不可少的過程.[1]現階段，普遍采用整車耐久試驗的方法進行評估.該方法必須生產多臺樣車，且每一輪驗證耗時長達2～3個月，非常不經濟.CAE技術的發展使虛擬樣機驗證變為可能，疲勞分析技術能大大縮短產品開發周期，節省時間和成本.

本文利用CAE方法對某汽車前副車架的疲勞壽命進行預測，發現疲勞風險點與耐久試驗吻合良好；優化該副車架局部結構，且在耐久試驗中未出現開裂現象.

1疲勞分析理論

自19世紀中葉以來，逐漸發展起來的主要疲勞理論有應力壽命相關的S-N理論、應變壽命相關的ε-N理論和裂紋擴展理論等3種.相對來說，材料的S-N曲線最容易獲得，因此現在工程中應用最廣泛且與工程實踐結合最好的是S-N理論.[2]

S-N理論認為：根據材料的S-N曲線，不同的應力對結構產生不同的損傷；在交變載荷作用下結構的應力不斷變化，損傷不斷累積；當結構的總損傷大于1時則結構破裂.為簡化計算，工程中通常假定損傷是線性累積（Miner準則）的，與加載順序無關.[3]

一般地，利用S-N理論進行疲勞分析的步驟如下：1）計算結構在單位載荷下的應力；2）將單位載荷下的應力與各通道的時間歷程相乘并疊加，獲得結構的應力歷程；3）對應力歷程進行雨流統計，獲取應力幅值Ai和載荷循環Ci；4）與S-N曲線匹配，計算不同幅值的損傷Di；5）將損傷進行線性累積，計算總損傷D總和壽命1/D總.S-N法分析流程見圖1.

2前副車架疲勞壽命預測

2.1有限元模型和網格精度要求

前副車架用螺栓連接在車身上，分析時需考慮安裝點的安裝剛度.若直接約束副車架和車身的連接點，則車架在受側向或縱向的拉伸或擠壓時會處于過約束狀態，導致分析結果與實際不符.考慮安裝點的安裝剛度有2種方法：一種是在安裝點建立襯套單元，賦予襯套屬性，模擬安裝剛度；另一種是搭建部分車身模型，將副車架用梁單元與車身連接，這種方法最接近實際情況.同理，轉向機不能用剛性單元模擬，因為剛性單元會加強副車架后橫梁的剛度，導致后橫梁應力與實際不符.

采用MSC Nastran分析強度，模型由轉向機、前副車架和前部車身組成.殼單元采用CTRIA3和CQUAD4單元模擬；實體單元采用CHEXA和CTETRA單元模擬；螺栓采用CBar單元模擬，模型見圖2，節點數為446 151個，單元數為586 438個.

良好的網格模型是有限元分析的基礎，不同的分析對網格的要求不同，如剛度分析不要求網格非常精細，但強度分析需要在關注的地方細化網格，孔周圍最好用warsher法劃分.疲勞分析需要獲得結構的應力，因此對網格精度有要求.本文的車身網格模型按一般精度控制，基礎尺寸按10 mm劃分，焊縫處的網格需特殊處理.[4]以T型焊和平行焊為例，具體要求有：

1）緊鄰焊縫節點兩側的單元稱為焊縫單元，其寬度尺寸嚴格控制在鈑金厚度的2～5倍，見圖3，a取值為2～5.

2）焊縫起始節點和終止節點長度尺寸控制在鈑金厚度的2～3倍，如圖3所示，b取值為2～3.

3）起始節點和終止節點周圍盡量采用焊縫單元.

4）焊縫單元盡量不用三角形單元.

5）平行焊的焊縫連接單元只能定義1層.設母材厚度分別為T1和T2，則焊縫連接單元厚度T=max{T1，T2}，見圖4.

2.2強度工況設定

約束車身截斷面自由度1，2和3；約束前懸架塔座自由度3，保證約束點遠離加載點.分別在下擺臂前安裝點、下擺臂后安裝點、發動機懸置點、穩定桿安裝點和轉向拉桿內點施加x，y和z等3向單位力和單位扭矩，共計66個工況.分別計算副車架在各工況單位載荷下的應力，各加載點位置見圖5，除發動機懸置點外，其他點左右對稱.

2.3疲勞分析

疲勞分析軟件FEMFAT中有豐富的焊縫數據，在不同的焊縫缺口因子修正下，焊縫的疲勞分析具有較高的精度.本文用到的焊縫有平行焊縫和V型焊等，根據副車架的實際焊接情況選擇正確的焊縫類型[5]，定義焊縫節點、起始節點、終止節點和焊縫單元.焊縫的概念模型和實際模型見圖6，左側為焊縫的概念模型，右側為實際模型.

底盤件的載荷譜無法直接采集，需依賴多體動力學采集的車輪六分力，通過多體動力學模型分解到各底盤結構件.多體動力學模型中的襯套特性和彈簧特性等直接影響底盤構件的載荷，在建立多體動力學模型時各彈性元件需要經過標定，盡量與實車一致.[6]獲得前副車架的載荷后，與第2.2節中的66個工況一一對應關聯起來，計算前副車架的應力歷程.圖7所示為下擺臂前安裝點的x，y和z等3向力，車輛在高強耐久路面上行駛時該點主要承受y和z向載荷.

FEMFAT中焊縫的耐久極限是母材耐久極限的插值函數，見表1.前副車架本體由鈑金焊接拼合而成，材料強度極限為285 MPa，疲勞極限為128 MPa，材料S-N曲線見圖8.工程師需根據主機廠的工藝條件水平進行對標分析，調整焊縫的耐久極限，使其與工藝水平匹配.將材料賦予前副車架本體，定義：生存率、平均應力修正、表面粗糙度、焊縫缺口因子和板殼厚度因子等分析參數，提交分析計算.

2.4結果和優化

在計算完成后輸出結果文件，在后處理軟件中打開，查看前副車架的壽命分布情況，見圖9，在副車架后橫梁上P1和P2處焊縫壽命較低，壽命分別為1 497和5 298 km，其原因為：前副車架后橫梁為避讓排氣管，中部向上凸起，在下擺臂的側向擠壓力或者拉伸力作用下，后橫梁中部向上或者向下變形，P1和P2局部焊縫容易應力集中，導致壽命較低.

在整車高強耐久試驗過程中，1號試驗車P1和P2分別在2 542和13 085 km出現裂紋，2號試驗車P1和P2分別在3 831和9 624 km出現裂紋.試驗與仿真結果對比見表2，試驗裂紋見圖10和11.由表2及圖10和11可知：P1較早出現裂紋，P2次之；由于材料和工藝的不一致性，各車架的破裂里程不同，但在可接受范圍內；總體而言，副車架的破裂位置、趨勢及壽命里程都與試驗結果吻合較好，可利用本次分析所用的參數和網格處理方式對副車架局部結構進行優化.

根據以上分析結果，在后橫梁內部增加一塊厚度1.5 mm的加強板.該加強板與后橫梁底板用焊點連接.對局部焊縫進行調整，使P1和P2不再是焊縫的起始點或者終止點[7]，優化方案示意見圖12.

經優化，P1和P2局部壽命顯著提高，P1和P2點壽命分別為16 629和55 421 km，滿足16 000 km的耐久要求，壽命云圖見圖13.在設計驗證階段的耐久試驗中，未發現前副車架后橫梁焊縫開裂.

3結束語

基于FEMFAT分析某車型前副車架的疲勞壽命，結果與試驗吻合良好.對車架進行優化設計，使車架疲勞壽命滿足耐久性要求.本文規范焊縫疲勞仿真的建模方法，可應用于后續車型的車架設計和焊縫疲勞壽命預測.

疲勞問題一直是設計開發中的難點問題，影響疲勞壽命的因素較多且不易控制，甚至經常出現同一部件在同樣的工況下壽命存在較大差異的情況，使得疲勞耐久的工程開發有很大困難，但虛擬樣機驗證取代物理試驗驗證是耐久開發的是一種趨勢.[8]通過精確的焊縫模型、材料對標、參數標定以及準確的載荷譜計算和制造工藝控制，能夠保證仿真分析結論與試驗結論有較高的吻合度.

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（編輯于杰）