基于疲勞損傷的某車型擺臂斷裂問題分析

倪健健，姜申野，許修國，梁帥，王文龍

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000； 2.河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

基于疲勞損傷的某車型擺臂斷裂問題分析

倪健健1,2，姜申野1,2，許修國1,2，梁帥1,2，王文龍1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定 071000； 2.河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

針對某車型擺臂總成路試過程中的異常斷裂問題，通過分析確定此次異常為疲勞斷裂，然后根據(jù)斷裂位置及CAE分析結果，布置應力應變傳感器，進行整車道路載荷譜采集測試。通過雨流數(shù)據(jù)處理及疲勞損傷分析，確定擺臂斷裂原因，解決擺臂斷裂問題，為今后其他項目的問題排查及分析提供指導。

疲勞斷裂；載荷譜；失效分析；疲勞損傷

0 引言

汽車懸架系統(tǒng)是保證車輪與車身之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減振動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中車身位置等的總成。其最主要的作用是傳遞車輪和車身之間一切的力和力矩[1]。因此汽車懸架系統(tǒng)性能的好壞直接影響車輛的舒適性和安全性。擺臂總成作為懸架總成的重要組成部分，連接車輪和車架，直接承受來自于地面的交變沖擊載荷。擺臂總成的強度直接影響汽車的懸架質(zhì)量。

1 失效分析

將擺臂斷裂處切開，經(jīng)檢測焊接熔深超過30%，滿足設計要求。將斷口經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡，在電鏡下對副車架下板焊接開裂處端面進行微觀形貌觀察，可以發(fā)現(xiàn)：斷口形貌明顯地可以分為源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，且擴展區(qū)有明顯的疲勞條紋，如圖1所示。從斷口區(qū)形貌初步判斷，此次擺臂斷裂為疲勞斷裂。

圖1 斷口擴展區(qū)微觀形貌

另外，在拆解斷裂的擺臂時，發(fā)現(xiàn)擺臂大軸套橡膠損壞，如圖2所示。擺臂存在曠動，裝車狀態(tài)下觀察不到軸套損壞，且無法判斷擺臂斷裂和軸套損壞的先后順序。擺臂斷裂有可能是因為軸套損壞導致的疲勞壽命減少引起的。

使用HyperMesh建立該車型擺臂網(wǎng)格模型后，在ABAQUS軟件中模擬特定工況下擺臂應力分布情況。分析結果中最大應力為261.33 MPa，遠小于材料屈服強度420 MPa。

2 整車載荷譜采集

承受隨機載荷的產(chǎn)品，在進行疲勞壽命預測和疲勞試驗之前，必須先確定其載荷譜[2]。使用更換擺臂后的試驗車，在擺臂斷裂位置及CAE分析應力較大的位置粘貼應變片，在壞路試驗場進行整車道路載荷譜采集。應變片粘貼位置如圖3所示。

圖3 左、右側擺臂應變片粘貼位置

數(shù)據(jù)采集完成后，使用數(shù)據(jù)處理軟件nCode對測試數(shù)據(jù)進行處理，應變采集曲線處理結果如圖4所示。

圖4 應變采集曲線

材料選擇SAE1035-169，應力計算如式(1)所示：

(1)

其中：σ為應力；E為彈性模量；ε為應變。

通過公式(1)將測試結果中的應變值換算成應力值，各個測點最大、最小應力值如表1所示。其中，右側最大應力發(fā)生在比利時路況的4號測點，為 218.73 MPa。左側最大應力發(fā)生在比利時路況的8號測點，為 248.35 MPa。材料屈服強度為420 MPa，測試最大值為248.35 MPa，遠小于材料屈服強度。且應力應變采集結果和CAE分析結果相吻合，證明此次數(shù)據(jù)采集的正確性。

其中，DIF是動態(tài)強度增長因素；fcd 是當前應變加載速率下的抗壓強度；fcs 是準靜態(tài)應變加載速率下的抗壓強度。本文將準應變加載速率取為10-5s-1。

表1 各個測點最大應力結果

3 軸套損壞前后應力對比

將左側擺臂軸套更換為損壞狀態(tài)，相同工況下，再次采集各測點應力。測試完成后，將兩次測試中相同測點應力分布進行對比。從測試結果中提取4號測點和8號測點更換軸套前、后狀態(tài)的應力值分布情況。如圖5所示：更換左側軸套后，左側擺臂8號測點的應力值有明顯的增加，最大值為298.69 MPa。

圖5 測點8的應力分布對比圖

如圖6所示，為右側擺臂4號測點的應力值分布情況。因為右側擺臂軸套沒有更換，兩次測試相差不大，對右側擺臂影響較小。右側應力區(qū)間未變化，只是頻次的差異。說明擺臂軸套損壞，對相應側擺臂在路試過程中的應力最大值有很不利的影響。

圖6 測點4的應力分布對比圖

4 隨機載荷譜轉換

在nCode軟件中，通過預留計數(shù)法，將采集的應力應變數(shù)據(jù)轉換成載荷分布圖，即均值(Mean)、幅值(Range)和頻次分布情況，如圖7所示。根據(jù)工程經(jīng)驗，用雨流計數(shù)法得到的汽車道路載荷譜變量分布圖，幅值一般服從威布爾分布，均值一般服從正態(tài)分布[3]。從圖7可知，幅值、均值均符合工程經(jīng)驗。

圖7 載荷分布圖

5 損傷計算

由變幅載荷譜，可以得到如圖8所示的載荷S和循環(huán)次數(shù)n的S-N圖。若構件在某恒幅應力水平S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則可定義它在經(jīng)受n次循環(huán)時的損傷為：

D=n/N

(2)

圖8 變幅載荷譜

構件在應力水平Si下作用ni次循環(huán)下的損傷為Di=ni/Ni。若在k個應力水平Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，則可定義其總損傷為：

(3)

破壞準則為：

D=∑ni/Ni=1

(4)

這就是最簡單、最著名、使用最廣的Miner線性累積損傷理論。其中，ni是在Si作用下的循環(huán)次數(shù)，由載荷譜給出；Ni是在Si作用下循環(huán)到破壞的壽命，由S-N曲線確定。

圖9中示出了最簡單的變幅載荷(二水平載荷)下的累積損傷。從圖中坐標原點出發(fā)的射線，是給定應力水平Si下的損傷線。注意到Ni是由S-N曲線確定的常數(shù)，則損傷D與載荷作用次數(shù)n的關系, 由式(2)的線性關系描述。因此，上述Miner累積損傷理論是線性的。圖中，構件在應力水平S下經(jīng)受n1次循環(huán)后的損傷為D1，再在應力水平S2下經(jīng)受n2次循環(huán)，損傷為D2，若總損傷D=D1+D2=1，則構件發(fā)生疲勞破壞。

圖9 二載荷水平下的累計損傷

通過雨流矩陣及nCode中疲勞分析S-N曲線，計算各個測點在路試過程中的損傷值，材料參數(shù)設置如表2所示，計算結果如表3所示。

表2 材料參數(shù)設置

表3 各測點損傷值計算

由表3可知：軸套損壞后，擺臂各個測點的損傷值有不同程度的增加，其中8號測點的損傷值是軸套失效前的17.92倍。分析結果與擺臂開裂位置及結果吻合。

6 總結

(1)測試中擺臂最大應力值為248.35 MPa，遠小于材料屈服強度420 MPa，擺臂強度滿足要求。

(2)軸套損壞后，路試過程中擺臂應力最大值為298.69 MPa，有較大的增加，雖然沒有達到屈服強度，但是對擺臂的疲勞壽命有不利影響。

(3)軸套失效后，基于道路載荷譜的擺臂8號測點損傷值由原來的9.63×10-10增加至1.73×10-8，損傷值變?yōu)樵瓉淼?7.92倍，擺臂疲勞壽命下降較大。

(4)文中研究方法為今后其他項目的問題排查及分析提供指導。

【1】劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社，2001：431-450.

【2】高鎮(zhèn)同.疲勞應用統(tǒng)計學[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994.

【3】高云凱，徐成民，方劍光.車身臺架疲勞試驗程序載荷譜研究[J].機械工程學報，2014,50(4):92-98. GAO Y K,XU C M,FANG J G.Study on the Programmed Load Spectrum of the Body Fatigue Bench Test[J].Journal of Mechanical Engineering,2014,50(4):92-98.

Analysis of Arm Fracture Problem of a Vehicle Based on Fatigue Damage

NI Jianjian1,2, JIANG Shenye1,2, XU Xiuguo1,2, LIANG Shuai1,2, WANG Wenlong1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China; 2.Automotive Engineer Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Aiming at the abnormal fracture of swing arm in the process of road test,it was determined as a fatigue fracture through analysis. Then, according to the fracture location and CAE analysis results, the stress and strain sensors were arranged to carry out the vehicle road load spectrum acquisition test. Through the rain data processing and fatigue damage analysis, the cause of the arm fracture was determined and the problem of swing arm fracture was solved. It provides guidance for future troubleshooting and analysis for other projects.

Fatigue fracture; Load spectrum ; Failure analysis; Fatigue damage

2017-02-27

倪健健(1988—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為汽車制動系統(tǒng)開發(fā)、零部件疲勞分析。E-mail：18531243251@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.005

U461.91

A

1674-1986(2017)06-019-04