鋼板彈簧疲勞開裂問題分析與優(yōu)化

董志鴻 劉虎 劉雪峰 龔玫琳

摘要：某輕卡在四立柱振動(dòng)臺(tái)架上進(jìn)行整車道路耐久模擬試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)后懸架副板簧疲勞開裂的問題，通過CAE方法對(duì)板簧總成進(jìn)行非線性仿真分析，針對(duì)板簧薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。然后基于板簧總成等幅疲勞損傷與變幅疲勞損傷當(dāng)量關(guān)系，對(duì)板簧疲勞仿真模型采用等幅循環(huán)加載，計(jì)算優(yōu)化后的板簧總成與原板簧總成相對(duì)疲勞壽命比值，確保優(yōu)化后的板簧能夠滿足整車四立柱臺(tái)架耐久目標(biāo)要求。最后將優(yōu)化后的板簧總成搭載在整車上進(jìn)行四立柱臺(tái)架驗(yàn)證，滿足了耐久目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧;疲勞開裂;分析和優(yōu)化;整車四立柱道路模擬;損傷當(dāng)量關(guān)系

中圖分類號(hào)：U463.33收稿日期：2022—01—24

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.019

1 前言

隨著汽車行業(yè)競爭日益激烈，汽車產(chǎn)品的可靠性和耐久性直接影響到廠家的整體銷量和企業(yè)形象，為提升產(chǎn)品的耐久性能，深入研究車輛結(jié)構(gòu)疲勞耐久性能的仿真、試驗(yàn)及優(yōu)化技術(shù)已迫在眉睫。

以某輕卡板簧總成為研究對(duì)象，該板簧總成搭載在試驗(yàn)車上進(jìn)行整車四立柱臺(tái)架耐久試驗(yàn)，如圖1所示。

針對(duì)試驗(yàn)過程中的板簧開裂問題進(jìn)行分析，如圖2所示。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真手段，對(duì)板簧總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過相對(duì)疲勞壽命計(jì)算，使優(yōu)化后的板簧滿足耐久目標(biāo)要求。

2鋼板彈簧耐久試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)換算

2.1板簧應(yīng)變信號(hào)采集

根據(jù)輕卡耐久試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)車在襄陽試車場按照不同的裝載工況在耐久路面上行駛，一個(gè)循環(huán)的耐久路面長度為12.5km，由比利時(shí)路、長波路、扭曲路等路面路按照一定比例組合而成。襄陽試車場和試驗(yàn)車后板簧副簧應(yīng)變粘貼位置示意圖如圖3所示。

2.2板簧耐久目標(biāo)換算

對(duì)于輕卡整車耐久性目標(biāo)要求為整車需要滿足2萬km耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)分不同的裝載工況，對(duì)各裝載工況采集到的板簧應(yīng)變進(jìn)行偽損傷分析，比利時(shí)路面對(duì)板簧產(chǎn)生的損傷占比高達(dá)90%左右，見表1。其中空載和半載的副板簧由于未起到承載作用，因此空載和半載工況副板簧損傷為零。根據(jù)損傷等效原則，副板簧在整車超載工況比利時(shí)路面運(yùn)行2 053 km可等效于耐久規(guī)范要求的整車試車場耐久路面2萬km。一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)里程是12.5km，其中包含3.33km比利時(shí)路面運(yùn)行距離計(jì)算如下：

3整車四立柱道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)

將試驗(yàn)場采集到的軸頭加速度和減震器位移信號(hào)作為四立柱振動(dòng)臺(tái)的迭代目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行臺(tái)架迭代，復(fù)現(xiàn)超載工況比利時(shí)路面的耐久試驗(yàn)，整車四立柱臺(tái)架迭代過程圖如圖4所示。

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到1 357 km時(shí)左后懸架副板簧出現(xiàn)疲勞開裂，更換新的板簧總成后繼續(xù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，右后懸架副板簧在1 495 km時(shí)也出現(xiàn)開裂，且位置相同，副板簧開裂如圖2所示。根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)理論可知，后懸架左右兩側(cè)板簧總成受到的路面激勵(lì)載荷相同，綜上可知后懸架副板簧的疲勞中值壽命為1 426 km，按照損傷等效原則，板簧在整車超載工況比利時(shí)路面需滿足2 053 km耐久試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，因此，需要對(duì)后懸架副板簧結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，提升板簧疲勞壽命，使其滿足耐久目標(biāo)要求。

4板簧總成疲勞壽命分析及優(yōu)化4.1后懸架板簧總成有限元模型

建立后懸架板簧總成有限元模型，板簧片采用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格基本尺寸為5mm，如圖5所示，板簧總成的仿真模型模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。其中車架縱梁上的兩個(gè)限位支架與副簧上表面建立接觸，兩個(gè)限位支架約束自由度123456;主簧前卷耳中心約束自由度12346，放開繞Y軸旋轉(zhuǎn)，主簧后卷耳中心與吊耳擺臂上端中心孔之間建立旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副;擺臂下端中心孔約束自由度12346，放開繞Y軸旋轉(zhuǎn)，兩根U型螺栓的預(yù)緊力通過在Beam梁單元上施加PRETENSION預(yù)緊力來實(shí)現(xiàn);最后在板簧座上施加超載工況對(duì)應(yīng)的載荷43 200 N（考慮2倍沖擊系數(shù)），計(jì)算板簧靜總成強(qiáng)度結(jié)果。仿真模型中設(shè)置了接觸非線性和幾何非線性，板簧片之間的摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。

4.2 等幅載荷與變幅載荷當(dāng)量關(guān)系

后懸架板簧總成在比利時(shí)路面工況受到的載荷為變幅載荷，路面載荷對(duì)板簧的作用方向主要為Z向，對(duì)板簧總成施加Z向等幅正弦變化的載荷，測量副板簧同一位置的應(yīng)變信號(hào)，如圖6所示。根據(jù)疲勞損傷等效原則，板簧Z向施加循環(huán)載荷0～43 200 N，循環(huán)加載4萬次產(chǎn)生的疲勞損傷等效于整車超載工況比利時(shí)路面行駛2 053 km產(chǎn)生的疲勞損傷，由于疲勞損傷是基于線性累加原則計(jì)算得到，因此等幅載荷循環(huán)加載2.778萬次產(chǎn)生的疲勞損傷等效于整車超載工況比利時(shí)路面行駛1 426 km產(chǎn)生的疲勞損傷。

4.3 板簧總成等幅加載仿真壽命

根據(jù)后懸架副簧的受力特征可知，當(dāng)副簧與限位支架接觸時(shí)，副簧受到載荷作用，當(dāng)副簧與限位支架脫離時(shí)，副簧受力為零。對(duì)后懸架板簧總成有限元模型板簧座處施加幅值為0～43200N的脈沖循環(huán)載荷，如圖7所示。

將板簧總成應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入疲勞軟件中，疲勞加載類型選擇Constant Amplitude，Max factor選擇1，Min factor選擇0。板簧材料為60Si2Mn，采用材料庫里自帶的SN曲線，通過修正SN曲線斜率，使板簧總成的疲勞循環(huán)次數(shù)為2.778萬次，圖8為板簧仿真計(jì)算的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)及疲勞失效循環(huán)次數(shù)，仿真疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)位于第二片副簧壓板附近（節(jié)點(diǎn)號(hào)13828），此位置與副簧實(shí)車試驗(yàn)開裂位置相同。副簧開裂壽命為2.778萬次循環(huán)，等效于整車超載比利時(shí)路面行駛1426km。

由于副簧在整車四立柱臺(tái)架試驗(yàn)中的開裂里程為1 426km，要達(dá)到2 053km的耐久目標(biāo)要求，優(yōu)化方案的副簧疲勞壽命至少需要提高到原副簧疲勞壽命的1.439倍以上，即優(yōu)化方案的板簧疲勞仿真壽命需從2.778萬次提高到4萬次以上。

4.4板簧優(yōu)化方案疲勞分析

由板簧總成疲勞壽命云圖可知，副簧中部區(qū)域的疲勞壽命明顯低于目標(biāo)值，優(yōu)化方案將副簧的兩片板簧片厚度增厚3mm。將優(yōu)化方案的副簧重新劃分網(wǎng)格，通過疲勞仿真計(jì)算得到優(yōu)化方案的副簧疲勞仿真壽命提高到7.191萬次，高于目標(biāo)值4萬次，如圖9所示。

優(yōu)化方案的副簧疲勞壽命滿足耐久目標(biāo)要求。最后將優(yōu)化后的板簧總成搭載在整車上進(jìn)行整車四立柱臺(tái)架試驗(yàn)，副板簧在整車四立柱臺(tái)架上模擬超載工況比利時(shí)路面振動(dòng)2053km未出現(xiàn)副簧斷裂現(xiàn)象，滿足耐久目標(biāo)要求。

5 結(jié)語

對(duì)各裝載工況采集的板簧應(yīng)變進(jìn)行偽損傷分析，根據(jù)損傷等效原則，副板簧在整車超載工況比利時(shí)路面振動(dòng)2 053 km等效于耐久規(guī)范要求的整車試車場完成耐久路面2萬km的目標(biāo)。

將試驗(yàn)場采集到的軸頭加速度和減震器位移信號(hào)作為四立柱振動(dòng)臺(tái)的迭代目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行臺(tái)架迭代，復(fù)現(xiàn)超載工況比利時(shí)路面的耐久試驗(yàn)。在整車四立柱臺(tái)架試驗(yàn)中，后懸架副簧出現(xiàn)疲勞開裂，因此板簧結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化加強(qiáng)，提高疲勞壽命。

建立板簧總成有限元模型，模型考慮U型螺栓預(yù)緊力、接觸非線性、幾何非線性。基于板簧總成等幅疲勞損傷與變幅疲勞損傷當(dāng)量關(guān)系，對(duì)板簧疲勞仿真模型采用等幅循環(huán)加載，對(duì)疲勞仿真的薄弱區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

計(jì)算優(yōu)化后的板簧總成與原板簧總成相對(duì)疲勞壽命比值，確保優(yōu)化后的板簧疲勞壽命能夠滿足耐久試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求。最后將優(yōu)化后的板簧總成搭載在整車上進(jìn)行四立柱臺(tái)架驗(yàn)證，滿足耐久目標(biāo)要求。

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作者簡介：

董志鴻，男，1984年生，主管工程師，研究方向?yàn)槠谀途肅AE仿真與試驗(yàn)。