基于有限元法的某車架疲勞損傷預估

劉建樹

摘要：針對車架的疲勞失效現象，以某型號車架為研究對象建立車架結構有限元模型，在MSC.Nastran中進行慣性釋放分析獲得應力分布，然后定義特定載荷譜，基于材料S-N曲線和準靜態疲勞分析方法，利用疲勞仿真軟件nCode DesignLife預估其疲勞損傷，為車架的進一步優化設計提供了指導。

關鍵詞：車架;疲勞損傷;有限元法;慣性釋放

0? 引言

車架是汽車裝配和承載的基體，支撐著汽車簧上所有部件、總成、人員以及貨物， 同時承受各種路況下路面不平度激勵和發動機振動激勵[1]。其抗疲勞性能好壞，直接關系到汽車行駛安全。傳統汽車疲勞分析方法，主要針對車架進行整車試驗或臺架試驗，試驗周期長、費用高，且產品定型后結構修改困難。因此在車架設計階段采用虛擬仿真對車架進行疲勞分析成為必要，本文以某車架為研究對象，計算在特定時間序列載荷下車架結構疲勞損傷。

1? 車架應力分析

1.1 車架有限元模型

該車架為邊梁梯形式車架，由左右2根縱梁、5根橫梁、前軸加強梁、懸架支撐、車身貨箱支架等組成。車架材料為16Mn鋼，彈性模型為210000MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，屈服強度360MPa，抗拉強度極限510 ～610MPa[2]。車架承受的來自車內各項載荷如表1所示。

為準確模擬車架，采用殼單元模擬車架，質量單元模擬車架各總成部件、梁單元模擬板簧、彈簧單元模擬輪胎，其中鉚接部分用實體單元加RBE3模擬，有限元模型共有162829個節點，15570個CQUAD4和CTRIA3單元，740個CHEXA單元，5819個RBE3單元，122個RBE2單元，7個CONM2單元，4個CBEAM單元，4個CELAS2單元。車架有限元模型如圖1所示。

1.2 慣性釋放

在車架的靜力學分析，約束位置不合理設置常造成約束反力過大，局部應力集中。利用慣性釋放方法對自由結構（車架）進行分析，可以消除約束反力對結構變形和應力的影響[3]。慣性釋放是在具有剛性位移的物體施加慣性力，用慣性力平衡物體的主動力，使物體仍處于平衡狀態。根據結構動力學微分方程：

求解上式可以得到節點加速度，進而求得施加在節點上的慣性力。將慣性力和主動力同時施加上，則可構造自平衡力系，這樣計算不必強調約束條件，從而不會影響結構局部變形和避免應力集中，更符合實際情況。

1.3 有限元分析

為確定載荷施加點，首先確定車架與底盤連接點。該車前懸架形式為雙橫臂獨立懸架，后懸架為鋼板彈簧非獨立懸架形式。路面對前輪的垂向力通過前懸架彈簧傳遞到車架前懸架支架上，對后輪的垂向力通過鋼板彈簧傳遞到板簧前后支架上。因此本文選取此4處施加垂向單位載荷[4]。分析時設置控制參數“PARA，INREL，-2”進行慣性釋放計算，獲得單位載荷下4種工況車架結構對應的靜應力影響因子。

2? 疲勞壽命預測

2.1 定義載荷譜

汽車行駛中，車架受到各種路況下路面不平順隨機激勵。車架載荷一般通過現場實驗方法獲取，限于實驗條件所限，本文假設車架受到理想三角波載荷[5]，其峰谷值如圖2所示。

2.2 定義材料參數

車架疲勞問題屬于高周疲勞，本文利用名義應力法預測疲勞壽命。車架材料16Mn鋼，通過材料強度預估S-N曲線，在nCode軟件中參數UTS取586MPa，SRI1取2300 MPa，b1取-0.1339，Nc1取1E6，b2取0，RR取-1，S-N曲線如圖3所示。

2.3 疲勞可靠性分析

由于編制的載荷譜頻率遠低于車架固有頻率，故采用準靜態法獲取車架結構動應力。把車架應力結果文件導入nCode軟件中，選用絕對值最大主應力作為評價應力，將編制的4通道載荷譜分別賦予4種應力分析工況，進行疲勞壽命分析。

由于載荷譜為編制而非車架真實試驗獲取，因此選用疲勞損傷來評價車架相對疲勞強度的分布。損傷最大的前5個節點損傷程度和位置如表2所示，危險部位疲勞損傷云圖如圖4所示。

從表上可以看出，509727號節點疲勞損傷最大為9.00E-06，循環次數最少為1.11E05，該節點位于鋼板彈簧安裝座上，此處結構突變是結構疲勞強度最低的地方。編號497273、497280、490811、497272號節點疲勞損傷次之，4個節點位于車架第二橫梁上發動機動力總成安裝支座安裝孔周圍。針對車架結構疲勞薄弱處，一般可采用增大鋼板彈簧安裝座過渡圓弧半徑或增加板厚的辦法進行優化。

3? 結論

本文利用慣性釋放和準靜態法對車架疲勞損傷進行分析、計算、研究，能簡單快速的獲得車架相對疲勞損傷，用于在缺少整車試驗或臺架試驗相關數據情況下預估車架結構疲勞強度。采用該方法預測危險節點壽命，能為車架設計前期提供指導，亦能為車架的優化提供一定工程參考。

參考文獻：

[1]王望予.汽車設計[M].機械工業出版社，2019.

[2]何仁邦.SUV型汽車車架周期載荷激勵的計算[J].成都工業學院學報，2013，16（01）：25-27.

[3]魏洪革.某型白車身疲勞壽命分析及研究[D].合肥工業大學，2011.

[4]程芳，呂振偉，王彪，王丹迎，陳興龍.基于HyperWorks的車架慣性釋放分析[J].時代汽車，2017（22）：77-78.

[5]李成林，宋莎莎，韓振南.基于nCode Design-Life的某車架疲勞可靠性分析[J].圖學學報，2014，35（01）：42-45.