基于CAE的某前副車架前懸置支架開裂分析

鮑金秋 翁盛鋒

（寧波匯眾汽車車橋制造有限公司）

汽車副車架是支承前后車橋和懸掛的支架，使車橋和懸掛通過它再與車身相連。發動機前懸置支架是連接發動機總成前端與前副車架的重要零件，如果使用過程中發動機前懸置支架發生斷裂或失效等情況，將會對發動機產生災難性的后果；因此在設計發動機前懸置支架時，重要的設計要求就是保證其結構的強度和疲勞耐久性[1-2]。某車型在前副車架總成設計開發驗證階段中，多批次前副車架前懸置支架疲勞臺架試驗結果未通過相關試驗標準要求，導致開發進度滯后，影響交付進程。文章利用CAE分析軟件，模擬計算相應工況下前副車架前懸置支架強度及疲勞壽命，通過分析應力分布和疲勞危險點來改進焊縫布置和焊接工藝，達到了顯著提升結構強度和疲勞壽命的目的，順利通過了臺架疲勞試驗，節省了時間和成本，規避了拖延項目進度的風險。

1 nCode DesignLife疲勞分析理論基礎

疲勞失效是結構失效的一個常見原因，經常受到周期性載荷作用的結構構件，其局部的應力集中極易引發裂紋的萌生并形成早期損傷，伴隨著裂紋的擴展，結構的強度與剛度也將不斷劣化，最終導致突發性災難事故[3]。某車型副車架總成中，發動機前懸置支架在臺架試驗中結構所受應力比材料極限強度低，而載荷的循環次數很高（如104～109次），屬于高周疲勞[4]。nCode DesignLife應力疲勞求解器使用名義應力法，根據材料的疲勞應力與疲勞壽命曲線（S-N曲線）對結構進行高周疲勞仿真分析[5]，分析需要掌握結構所承受的循環載荷、結構的幾何（先期通過有限元分析軟件得到的諸如結構應力等結果文件）及結構材料的疲勞性能3個主要信息。

1.1 載荷

DesignLife應力疲勞求解器支持時間序列載荷、時間步載荷及常幅載荷等不同載荷方式輸入，在時間序列載荷中，載荷譜與有限元中的應力結果組合方式，如式（1）所示。

式中：σij（t）——以時間為變量的應力張量，Pa；

Pk（t）——輸入的載荷譜，N；

Scale Factork——載荷譜縮放因子；

Offsetk——載荷譜偏移量，N；

σij,k,static——靜強度計算結果中的應力，Pa；

Dividerk——歸一系數，N；

k——不同載荷步數。

1.2 有限元分析結果

DesignLife 能 與 NASTRAN，ABAQUS，ANSYS，I-DEAS，MEDIA，HyperMesh及 LS-DYNA等典型的計算機輔助設計軟件交換數據，支持靜態、瞬態動力（模態疊加法和完全法）及頻域響應等多種有限元結果，性能完善。

1.3 材料的疲勞性能

DesignLife自帶大量的材料數據，標準S-N曲線可以被直接調用。對于未包含在數據庫中的材料，可以利用材料抗拉極限值和疲勞壽命取對數后的標準差估計值預估材料標準S-N曲線[6]。通過對標準S-N曲線進行表面處理方法、應力組合方法、平均應力修正方法、多軸評估方法及應力梯度修正方法等參數的設定，獲得符合工程實際的真實S-N疲勞曲線，用以進行疲勞分析。

2 工程案例介紹

某新車型前副車架總成設計驗證（Design Verification簡稱DV）階段初始結構，如圖1所示；前懸置支架及前懸置支架加強板與前橫梁連接焊縫布置，如圖2所示。DV階段前懸置支架臺架試驗項目的標準（如圖3所示）為：X向加載，FX=-4～3.3 kN，循環50萬次；頻率：（3±2）Hz；50萬次內支架本體開裂不超過10 mm，焊縫開裂不超過焊縫總長度的20%，且焊縫開裂長度小于20 mm；繼續試驗直到發現裂紋的擴展性（如快速或始終擴展）；零件進行150萬次試驗后無裂紋，停止試驗。多批次試驗結果顯示，在目標疲勞壽命到達前，前懸置支架以及前懸置支架加強板與前橫梁連接的焊縫附近本體發生結構開裂，疲勞裂紋沿焊縫邊界擴展，不滿足相關副車架總成臺架試驗規范要求。此時前懸置支架和前懸置支架加強板沖壓模具成型模具已開，出于成本考慮，對于結構的改進方案有一定限制。試驗結果，如表1所示。

圖1 前副車架總成模型圖

圖2 前懸置支架及前懸置支架加強板與前橫梁連接焊縫布置圖

圖3 前懸置支架試驗裝置圖

表1 前副車架前懸置支架臺架試驗結果

3 靜力學與疲勞仿真

3.1 靜力學有限元分析

3.1.1 模型簡化與網格劃分

前副車架總成為沖壓焊接結構，臺架試驗中約束前副車架4個連接套管，在前懸置支架螺栓硬點處施加相應載荷。將結構CATIA模型導入HyperMesh軟件進行幾何處理，去除小圓角及不重要小孔，取中面進行網格劃分。以一維剛性單元模擬前懸置支架與發動機連接螺栓，同時創建一維耦合剛性單元，分別連接4個連接套管及對應參考點。最終網格為平均5 mm左右的線性減縮積分殼單元，殼單元厚度取實際零件板材厚度。有限元模型，如圖4所示。

圖4 前副車架總成有限元模型圖

3.1.2 確定材料參數

零件材料除前橫梁采用SPPS42外，其余沖壓件均采用QStE420TM，材料相關性能，如表2所示。

表2 零件材料性能相關參數表

3.1.3 設定載荷與約束

根據前懸置支架疲勞臺架試驗規范要求，完全固定前副車架4個連接套管的6個自由度，在連接螺栓處施加X向循環載荷。因此，在靜力分析有限元模型中約束連接套管參考點的6個自由度，在螺栓參考點處載荷取試驗所加循環載荷的最大值，即沿全車坐標系X軸負向4 kN集中力。

3.1.4 靜力分析結果

在HyperMesh軟件中，對模型前處理完畢輸出.inp格式的計算模型，用ABAQUS求解器做靜力分析計算，后處理采用HyperView軟件顯示前懸置支架附近的應力云圖，結果如圖5所示。

圖5 前懸置支架附近應力云圖

由圖5可知，各零件的最大應力（119.8 MPa）均未超出材料屈服強度（見表2），說明零件滿足該試驗條件下的強度要求。不足之處是臺架試驗開裂位置存在明顯的應力集中。

3.2 疲勞分析

將得到的有限元靜力學結果直接導入Ncode DesignLife疲勞仿真軟件，用有限元后處理得到的應力計算結果來確定殼單元模型疲勞壽命。載荷譜直接由Ncode DesignLife中Input模塊的Time Series Generator生成，根據試驗實際情況，設置頻率為5 Hz正弦周期載荷。由于載荷譜與靜力學結果是相乘的關系，這里正弦載荷幅值取0.912 5，中值取-0.087 5，以使載荷譜與實際加載完全一致。由于本模型屬于高周疲勞，故選擇S-N疲勞分析引擎；由于軟件自帶數據庫中不含本案例中零件所用材料，故采用在疲勞軟件中直接輸入材料的強度極限、屈服極限及泊松比等參數，利用軟件自動計算擬合的方法得到原始S-N曲線，如圖6所示。對S-N曲線進行修正，設定表面系數、應力組合方法、平均應力修正、多軸評估及應力梯度等修正參數并提交求解。

圖6 前副車架相關材料原始S-N曲線

分析后得到的疲勞壽命云圖，如圖7所示。從圖7可以看出，前橫梁各開裂點壽命為32.2萬～70.1萬次，壽命為32.2萬次的區域在實際結構中為2段焊縫相接點，該處橫截面積較分析模型中橫截面積大，故應力和應力集中程度較分析中要小，分析結果偏于保守，且試驗中并未發生開裂。總之，疲勞分析結果與試驗結果非常相近，說明計算結果可信。前橫梁及前懸置支架加強板疲勞壽命分析結果不滿足試驗規范要求。

圖7 前懸置支架附近疲勞壽命云圖

4 結構改進設計與驗證

4.1 改進方案

影響結構疲勞強度的因素包括應力集中、結構尺寸、表面狀況及載荷狀況等。提高零部件疲勞強度的措施可考慮合理選材，以達到強度、塑性及韌性間的最佳配合，也可考慮改進結構和工藝、表面強化以及表面防護等措施。根據分析結果，重點降低焊縫起/收弧處的應力集中，結合試驗結果并考慮到已開模具和工程造價等實際限制，提出改進方案，示意圖，如圖8所示。取消前懸置支架加強板與橫梁焊縫兩端圓弧段焊縫，前懸置支架與橫梁間焊縫根據以往工程經驗進行工藝更改，改變焊接電流大小和焊接速度，并在焊縫起/收弧處增加適當的引出焊縫。改進后實物，如圖9所示。

圖8 前懸置支架焊接改進方案示意圖

圖9 改進后前懸置支架焊接實物圖

4.2 計算分析及疲勞臺架結果

建立改進方案的有限元模型并進行結構靜力學及疲勞分析，結果如圖10和圖11所示。由圖10可以看出，前懸置支架加強板與橫梁焊縫周圍應力明顯下降，應力集中水平顯著改善，疲勞壽命分析結果遠優于臺架試驗標準要求。由于簡化的分析模型不能體現工藝上的更改優化，對于前懸置支架與橫梁焊接結構，分析結果僅表明焊縫附近應力基本不受焊縫縮短的影響，其疲勞壽命的提升不能在分析結果中得以明顯體現。經過多批次樣件試驗驗證，改進方案結構在150萬次臺架試驗后未出現任何開裂現象，完全滿足該項目疲勞臺架標準要求，表明改進方案有效，且更改成本極低。

圖10 改進方案前懸置支架附近應力云圖

圖11 改進方案前懸置支架附近壽命云圖

5 結論

1）靜力學及疲勞分析表明：原結構滿足強度要求，但不滿足疲勞耐久要求。

2）改進后結構滿足疲勞壽命目標要求，順利通過實際疲勞耐久測試。表明通過合理布置焊縫以及優化焊接參數可以有效地改善結構抗疲勞性能。

3）本靜力學及疲勞分析結果不能體現焊縫焊接工藝的改進影響，如焊接電流大小、焊接速度及起/收弧處適當引出等。

4）靜力學及疲勞仿真結果能預測危險斷裂位置和疲勞壽命，快速響應結構優化對疲勞壽命的影響，給出產品改進和優化的方向。

5）利用CAE仿真計算技術，輔助發現結構問題，并計算校核改進方案的可行性，能有效縮短開發周期和減少開發成本。