石云

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院

前言

副車架可以看成是前后車橋的骨架，是前后車橋的組成部分。副車架并非完整的車架，只是支承前后車橋、懸掛的支架，使車橋、懸掛通過(guò)它再與“正車架”相連，習(xí)慣上稱為“副架”［2］。副車架從整車裝配、包裝運(yùn)輸?shù)秸５男旭偅家惺芨鞣N不同的載荷，載荷性質(zhì)也不盡相同，包括沖擊、靜力、交變載荷。車輛舒適、安全和輕量化對(duì)副車架在強(qiáng)度、振動(dòng)、疲勞和質(zhì)量方面提出了很高的要求。本文運(yùn)用有限元軟件模擬實(shí)際的臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)副車架強(qiáng)度進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)副車架疲勞分析并校核。

1 有限元模型建立

1.1 網(wǎng)格劃分

采用HyperMesh對(duì)副車架總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元采用四邊形，焊縫模擬采用Shell模擬，長(zhǎng)度與實(shí)際的焊縫長(zhǎng)度相符。橡膠襯套采用實(shí)體單元。圖1為副車架有限元模型。

1.2 材料定義

鋼板參數(shù)：彈性模量2.1×105N／mm2，泊松比0.28。

圖1 副車架有限元模型Fig.1 The cradle finite element model

副車架有限元單元總數(shù)55658個(gè)，四邊形單元總數(shù)54054個(gè)，三角形單元總數(shù)1604個(gè)，零件之間的連接采用837個(gè)剛性單元和16個(gè)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

2 副車架疲勞臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證副車架設(shè)計(jì)，對(duì)于樣件必須進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)。副車架臺(tái)架試驗(yàn)主要是針對(duì)車輛在使用過(guò)程中副車架常見(jiàn)工況進(jìn)行，這些工況包括制動(dòng)，轉(zhuǎn)彎或者加速。本章節(jié)針對(duì)制動(dòng)工況和加速工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的CAE分析和驗(yàn)證，并進(jìn)行了比對(duì)。

2.1 疲勞工況有限元分析

疲勞分析過(guò)程中，假定載荷從0加載到最大載荷作為一個(gè)循環(huán)，時(shí)間歷程如圖2所示。

圖2 疲勞變形和時(shí)間關(guān)系圖Fig.2 Relationship diagram of fatigue deformation and time

同時(shí)假定：

1）50%存活率

2）Neuber彈塑性模型校正

3）Smith Watson Topper平均應(yīng)力校正

4）絕對(duì)最大主應(yīng)力應(yīng)變組合使用

材料疲勞參數(shù)E－N曲線，如圖3。

圖3 材料疲勞參數(shù)E－N曲線Fig.3 Material fatigue paramenter E－N curve

2.2 邊界約束條件確定

模擬臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)副車架的裝配和約束，控制臂相對(duì)于副車架上下擺動(dòng)，故在控制臂球鉸處施加垂直位移約束。副車架與車身連接的4個(gè)襯套處施加約束，約束施加于橡膠襯套中心孔表面。

2.3 載荷施加

縱向極限工況：施加載荷為制動(dòng)載荷，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范，載荷大小為制動(dòng)力7000N，與整車行駛方向相反如圖2所示。

由于球頭處只傳遞力而不傳遞力矩，載荷施加在球頭處。

圖4 副車架縱向力載荷示意圖Fig.4 The cradle longitudinal loading scheme

2.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

應(yīng)力云圖如圖5所示。通過(guò)應(yīng)力云圖可知，副車架的應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)力區(qū)域是副車架搖臂支架與縱梁連接處，該區(qū)域的最大應(yīng)力為339 MPa，小于材料的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明副車架的強(qiáng)度是足夠的。

圖5 縱向力載荷副車架應(yīng)力云圖Fig.5 Longitudinal loading cradle stress cloud diagram

2.5 臺(tái)架疲勞計(jì)算結(jié)果

按照臺(tái)架試驗(yàn)要求，進(jìn)行疲勞計(jì)算分析。圖6為副車架臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的流程示意圖。圖7為縱向力載荷疲勞云圖。

圖6 副車架臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證的流程示意圖Fig.6 The flow process scheme of the cradle bench testing verification

圖7 縱向力載荷疲勞云圖Fig.7 Longitudinal loading fatigue cloud diagram

表1 臺(tái)架試驗(yàn)有限元分析結(jié)果Table 1 Bench test finit element results

3 副車架疲勞壽命試驗(yàn)

副車架所承受的是交變載荷，它的疲勞壽命符合維布爾曲線。通過(guò)試驗(yàn)的方法，在一定的置信度下，必須要有足夠的樣本數(shù)，最低為6件，同時(shí)需要保證必須要有零件發(fā)生疲勞破壞，以此來(lái)獲得維布爾疲勞曲線，得出零件的疲勞壽命。在實(shí)際的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，如果單純通過(guò)試驗(yàn)的方法得出零部件的疲勞壽命，在數(shù)據(jù)的可靠性上當(dāng)然是最理想的，但是由于試驗(yàn)必須要到零部件發(fā)生破壞才能截止，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本高，尤其對(duì)于副車架這樣的復(fù)雜底盤結(jié)構(gòu)承載件，在實(shí)際的疲勞試驗(yàn)中，載荷循環(huán)達(dá)到一定數(shù)量后，往往零部件的本體尚未破壞，橡膠襯套就已經(jīng)發(fā)生破壞，在此情況下，試驗(yàn)只能終止，在更換新的橡膠襯套后再繼續(xù)試驗(yàn)，因此將副車架做到發(fā)生疲勞失效，試驗(yàn)周期將會(huì)更長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本更高。實(shí)際的開(kāi)發(fā)情況是，每一個(gè)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)范都有一個(gè)最低的載荷施加次數(shù)，只要滿足了該循環(huán)次數(shù)，就可以認(rèn)為零部件滿足該工況下的疲勞壽命，試驗(yàn)就可以結(jié)束，不必單純追求零部件實(shí)際的疲勞壽命到底是多少。對(duì)于某副車架縱向力臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)范要求是載荷循環(huán)次數(shù)大于20萬(wàn)次。循環(huán)次數(shù)大于20萬(wàn)次后即認(rèn)為該總成疲勞壽命符合縱向力試驗(yàn)工況［1］。

3.1 試驗(yàn)條件

載荷：F2＝－500±6 500N，頻率為3±2Hz，循環(huán)目標(biāo)值≥200 000（1倍壽命）加載每隔1小時(shí)記錄循環(huán)次數(shù)，并檢查支架周圍材料及焊縫的狀態(tài)，若母材開(kāi)裂長(zhǎng)度不大于二倍材料厚度和焊縫裂紋不超過(guò)本身焊縫的20%，可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，并在裂紋起始處作標(biāo)記，每隔1小時(shí)記錄裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，直止裂紋長(zhǎng)度超過(guò)以上規(guī)范，需停止試驗(yàn)，記錄總循環(huán)次數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果如下表所示表2至3所示。試驗(yàn)樣件疲勞壽命統(tǒng)計(jì)如圖5～9所示。

臺(tái)架試驗(yàn)的試件裂紋圖如圖8至11所示。

圖8 試件1裂紋圖325500次Fig.8 Speciment 1craic diagram 325500times

圖9 試件2裂紋圖449325次Fig.9 Speciment 2craic diagram 449325times

圖10 試件3裂紋圖244297次Fig.10 Speciment 3craic diagram 244297times

圖11 試件4裂紋圖322804次Fig.11 Speciment 4craic diagram 322804times

4 分析與結(jié)論

通過(guò)副車架疲勞臺(tái)架試驗(yàn)和有限元疲勞分析，副車架在控制臂支架同縱梁焊縫處經(jīng)過(guò)2.4萬(wàn)次循環(huán)出現(xiàn)裂紋，兩者結(jié)果一致。這表明副車架疲勞CAE分析有一定的準(zhǔn)確度。通過(guò)應(yīng)用有限元與臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試兩種手段相結(jié)合，大大提高有限元分析在副車架中的分析精度。目前CAE計(jì)算可以取代一部分物理試驗(yàn)，從而可以降低開(kāi)發(fā)成本和試驗(yàn)周期。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Testing datum

表3 試驗(yàn)失效類型統(tǒng)計(jì)Table 3 Testing failure type statistics

［1］許勇.某副車架有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，［學(xué)位論文］，上海交通大學(xué)，2005.

［2］史科駿，靜波，等.轎車副車架模態(tài)試驗(yàn)與分析.躁聲與振動(dòng)控制，2003，2.