基于Abaqus的擺臂開裂問題分析及改進

馮長凱，王　俊，盛守增，樊玉言

(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000)

基于Abaqus的擺臂開裂問題分析及改進

馮長凱，王俊，盛守增，樊玉言

(長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000)

摘要：某車型前懸擺臂在臺架耐久試驗中發(fā)生早期開裂現(xiàn)象。本文利用Abaqus軟件建立擺臂的有限元分析模型，從結(jié)構(gòu)受力特點出發(fā)，結(jié)合有限元分析結(jié)果，提出改進方案。通過仿真分析和耐久試驗，證明改進方案能夠滿足強度要求，論證了其可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：擺臂；開裂；強度；有限元分析

1引言

擺臂是汽車懸架系統(tǒng)的重要零部件，依靠其導向和傳力作用，將作用在車輪上的各種載荷傳遞給車身，同時保證車輪按一定軌跡運動。擺臂分別通過球鉸及襯套，把車輪和車身彈性地連接在一起。因此，擺臂必須滿足強度要求和結(jié)構(gòu)耐久要求，通常采用臺架耐久試驗進行結(jié)構(gòu)驗證。

某試驗車前懸擺臂(如圖1所示)在臺架耐久試驗中發(fā)生早期開裂失效，開裂位置出現(xiàn)在大軸軸套上靠近擺臂上板后連接點的位置，不滿足設(shè)計壽命，圖2為前懸擺臂開裂照片。從試驗結(jié)果分析開裂特征，裂紋附近無明顯毛刺且斷口明顯，因此可以排除由于制造工藝問題引起，屬于斷裂破壞。同時，開裂發(fā)生在臺架耐久試驗早期，因此考慮利用強度分析方法考查破壞原因。

圖1　前懸擺臂數(shù)模

圖2　前懸擺臂開裂圖片

為查找引起擺臂開裂的原因，本文利用有限元仿真方法建立模型，對結(jié)構(gòu)強度進行仿真分析，并根據(jù)計算結(jié)果提出改進方案，再經(jīng)多批次臺架耐久試驗，驗證改進方案的效果。

2擺臂有限元模型的建立

有限元分析結(jié)果的可信度的高低直接受分析模型、載荷處理、約束條件和實際工程結(jié)構(gòu)力學特性符合程度的影響。在建立有限元分析模型時，既要如實反映實際結(jié)構(gòu)的重要力學特性，又要盡量采用較少的單元和簡單的單元形態(tài)，以保證較高的計算精度及縮小解題規(guī)模。

由于擺臂為薄板沖壓焊接結(jié)構(gòu)，因此在Abaqus中以擺臂中面為基礎(chǔ)，用四邊形shell單元進行網(wǎng)格劃分，大小軸套和球頭座采用實體單元，建立前懸擺臂的有限元模型(如圖3所示)。螺栓采用RB2單元模擬，焊縫采用SHELL單元進行模擬，長度與實際的焊縫長度一致。

圖3　擺臂的有限元模型

為保證計算結(jié)果的準確性，網(wǎng)格單元質(zhì)量要滿足要求，不能有畸形單元。同時，材料屬性設(shè)置與實際保持一致。

3擺臂強度分析

3.1設(shè)置載荷和邊界條件

強度分析中，主要考查經(jīng)典工況下擺臂總成的應力分布情況。根據(jù)Adams的懸架多體模型，在標準載荷工況下提取各工況下硬點處的載荷，施加在各硬點處。利用慣性釋放法作為邊界條件，對擺臂進行強度分析。

3.2擺臂強度分析結(jié)果

圖4所示為擺臂強度分析位移云圖，最大位移4.0mm，表明整體結(jié)構(gòu)變形較大，剛度不足。

圖4　擺臂強度分析位移云圖

圖5所示為擺臂強度應力云圖。分析結(jié)果顯示，擺臂開裂附近位置應力較大，這與試驗開裂位置比較一致。最大應力327MPa，超過材料的屈服極限，處于較高的應力水平。

圖5　擺臂強度分析應力云圖

4擺臂優(yōu)化方案及仿真結(jié)果

4.1擺臂優(yōu)化方案

以上對擺臂總成進行了強度分析，結(jié)果顯示，擺臂軸套與上板連接處屬于薄弱位置，需進行改進設(shè)計。

主要的改進方案包括更改擺臂厚度及材料、增加翻邊、延長擺臂與套管結(jié)合面積等方法?？紤]到軸套處變形較大，剛度明顯不足，因此首先增加軸套壁厚2mm，結(jié)果顯示整體應變有明顯改進，但是擺臂上板與軸套連接處應力仍然較大。

擺臂改進方案如圖6所示，綜合考慮零部件強度和結(jié)構(gòu)因素，在增加軸套壁厚2mm的基礎(chǔ)上延長擺臂，使其與套管接觸面積增大，減小應力集中，提高結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，同時結(jié)構(gòu)變化較小，工藝合理，沒有大量增加產(chǎn)品的重量。

圖6　擺臂改進方案

4.2優(yōu)化方案強度分析結(jié)果

計算結(jié)果顯示，優(yōu)化方案強度最大位移1.4mm(如圖7所示)，有明顯減小。同時，最大應力為229MPa(如圖8所示)，遠小于之前的最大應力327MPa，低于材料屈服極限，改進效果明顯。

圖7　優(yōu)化方案強度分析位移云圖

圖8　優(yōu)化方案強度分析應力云圖

4.3優(yōu)化方案試驗驗證

經(jīng)臺架耐久試驗驗證，改進方案安全通過了臺架耐久試驗，在整個試驗階段未發(fā)生開裂現(xiàn)象，證明了改進方案的可行性和有效性。

5結(jié)論

針對某車型前懸擺臂臺架耐久試驗發(fā)生早期開裂問題，采用有限元法對前懸擺臂進行了強度分析。從結(jié)構(gòu)受力特點出發(fā)，并結(jié)合有限元分析結(jié)果，詳細分析了前懸擺臂開裂的原因并提出了改進方案。最后，對改進方案進行了仿真和試驗驗證。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化方案改進效果明顯。經(jīng)過多批次疲勞臺架試驗，前懸擺臂再未出現(xiàn)開裂問題，證明改進方案的可行性和有效性。

參考文獻

[1]尹輝俊,黃貴東,黃昶春,等.重型自卸車車架早期斷裂原因分析的研究[J].汽車工程,2006,28(12):1133-1135.

[2]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學出版社,2002:71-85.

Analysis and Improvement on Swing Arm Cracking based on Abaqus

Feng Changkai,Wang Jun,Sheng Shouzeng,Fan Yuyan

(R&D Center of Great Wall Motor Company,the Automobile Engineering Technology &Research Center of Hebei Province,Baoding 071000,Hebei,China)

Abstract：The swing arm of a car cracked in the early stage in the endurance test done on the test bench.The cause of cracking failure has been analyzed based on the characteristics of structure force and the results of FEM analysis of Abaqus.The ideas of modification on the structure are put forward,which is proved successfully by FEM result and operation practice.

Keywords:swing arm;cracking;strength;finite element analysis

[收稿日期]2016-03-04

[作者簡介]馮長凱(1981—)，男，工程師，主要研究方向：整車強度及疲勞耐久分析。

中圖分類號：U463.33

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.015