副車架結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真分析

楊勁飛，宋豪，何正轟，商乃鉅

副車架結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真分析

楊勁飛，宋豪，何正轟，商乃鉅

（廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西 柳州 545000）

某車企對正在研發(fā)的某車型進(jìn)行可靠性道路耐久試驗過程中，發(fā)現(xiàn)后副車架某位置發(fā)生開裂，開裂的產(chǎn)生影響了可靠耐久性能評估。為快速解決開裂問題，利用有限元方法對副車架進(jìn)行仿真。主要思路：將試驗場采集得到的路面激勵信號加載到在多體動力學(xué)懸架模型中，然后提取出硬點動態(tài)載荷，最后將動載荷作為耐久仿真輸入，對副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對開裂位置進(jìn)行原因分析，并提出有效性參考建議，為提高副車架壽命提供有利的數(shù)據(jù)支持。

副車架；開裂；有限元；動力學(xué)；耐久仿真

引言

副車架作為汽車底盤重要零件，在車輛日常行駛過程中，受到來自路面載荷的直接作用，副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及在惡劣工況作用下疲勞耐久壽命的設(shè)計，是所有汽車企業(yè)以及用戶所關(guān)心的重要問題。傳統(tǒng)車企對副車架開發(fā)，都需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能仿真評估以及疲勞耐久性能試驗。但是傳統(tǒng)方法往往需要對多臺同款樣車配套副車架在試驗場上進(jìn)行為期3個月左右的道路耐久試驗，該方法對車型開發(fā)周期有著較長的要求[1]。

為縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，結(jié)合有限元仿真軟件進(jìn)行疲勞耐久仿真評估，能夠大大節(jié)約開發(fā)時間，有效促進(jìn)車型生產(chǎn)開發(fā)，并能夠針對開發(fā)過程問題進(jìn)行快速解決。本次案例介紹結(jié)合試驗場路試工況的副車架結(jié)構(gòu)疲勞耐久仿真方法在副車架開裂問題上的解決思路，為后期相同問題積累經(jīng)驗。

1 疲勞累計損傷理論

Miner法則是較早提出的對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞耐久性能評價的方法。在汽車開發(fā)過程中，疲勞耐久壽命計算是較為重要的性能仿真驗證階段。為了得到更為準(zhǔn)確的疲勞壽命計算值，在疲勞壽命仿真計算前需要對載荷進(jìn)行特定的處理，目前較多情況下，對于疲勞載荷的處理方法都是在較早提出的Miner法則線性損傷積累上進(jìn)行，根據(jù)該損傷法則的本質(zhì)思路，我們可以得到以下的情形：零件在外界作用力循環(huán)作用下，零件吸收能量達(dá)到最大值產(chǎn)生疲勞開裂，若試樣加載歷史所產(chǎn)生的應(yīng)力水平為1,2,…,σ，各應(yīng)力水平下的疲勞壽命相應(yīng)為1,2,…,N，各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)相應(yīng)為1,2,…,n[2]。則Miner線性損傷表達(dá)式為：

式中：D為總的損傷量；l為變幅載荷的應(yīng)力水平等級；n為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)；N為第i級載荷下的疲勞壽命。

由于在現(xiàn)實情況中，零件受到外力作用大部分都為交變循環(huán)的載荷情況較多，受到橫幅載荷作用的情況較少。Miner法則在疲勞理論中被認(rèn)為是偏風(fēng)險的方法，因為其沒有考慮到載荷加載順序?qū)Y(jié)構(gòu)壽命的影響，后期一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上，提出了在不同載荷水平作用下循環(huán)比和等效損傷循環(huán)比的關(guān)系方程，從而提出了非線性損傷準(zhǔn)則，但該準(zhǔn)則在計算迭代上時間花費較長[3]。為解決該問題，曼森和哈爾德福提出了雙線性損傷準(zhǔn)則，并得到較好推廣。

2 問題提出

某企業(yè)研發(fā)某款新車后副車架時，將副車架在實車上進(jìn)行安裝并進(jìn)行可靠性道路耐久試驗，試驗?zāi)繕?biāo)里程為4萬公里，在車輛進(jìn)行25600公里時，發(fā)現(xiàn)后副車架減振器上安裝點位置吊耳存在裂紋。裂紋如圖1：

圖1 副車架開裂位置

對開裂副車架進(jìn)行實地考察，副車架開裂鈑金面無起皺、劃痕等制造問題；副車架吊耳與副車架縱臂梁焊縫焊接處無毛邊、缺口、焊接燒蝕問題；綜合其他因素評估，判斷本次副車架樣件開裂與制造無關(guān)。為快速尋找開裂因素，認(rèn)為需對副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真及疲勞耐久壽命評估計算。

3 副車架耐久仿真思路

副車架作為汽車底盤重要零件，與周圍部件連接較為復(fù)雜。在有限元建模中，會對模型做進(jìn)一步簡化，所以難以做到模型與實際完全相同，在仿真計算中難免會存在不可避免的誤差。

為快速對副車架開裂問題進(jìn)行原因分析，并提出相對應(yīng)的解決方案。根據(jù)路試開裂位置發(fā)生時行駛里程為25600公里，占總實驗里程64.0%左右。如要求該款副車架能夠滿足耐久試驗?zāi)繕?biāo)要求，則需在原基礎(chǔ)上，將其壽命再提高36%以上。根據(jù)該思路，對路試副車架建模并進(jìn)行耐久仿真計算，在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上對損傷值進(jìn)行分析，提出適合的方案降低開裂位置損傷值提升壽命。

4 副車架疲勞耐久壽命仿真分析

副車架結(jié)構(gòu)耐久仿真需要到幾個關(guān)鍵條件：硬點動載荷、材料疲勞曲線、結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力結(jié)果。

4.1 硬點動載荷

硬點動載荷提取方法一般有三種：自由加載法、約束法加載法、虛擬迭代法。三種方法都需在汽車進(jìn)行可靠性道路耐久試驗前，在汽車4個軸頭安裝六分力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器，對汽車路試過程中的路面激勵進(jìn)行采集，然后對采集到的原始激勵進(jìn)行特定的處理，包括濾波、除飄移、去毛刺等[4]。最后將處理過的信號加載到建立好的懸架模型中，提取出各個關(guān)鍵硬點的動載荷以備后續(xù)仿真應(yīng)用。本次動載提取是基于Adams懸架模型為基礎(chǔ)，使用車身約束方法進(jìn)行載荷提取。

4.2 材料疲勞曲線

零件的壽命取決于材料的力學(xué)性能與外界施加的應(yīng)力水平，每種不同材料都有其特定的力學(xué)特性，零件材料強度等級越高，受到的應(yīng)力水平越低，其壽命就越長，這種外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試件疲勞壽命之間的關(guān)系曲線稱為S-N曲線[5]。疲勞耐久仿真計算，必須對車身每種零件材料進(jìn)行明確定義，以使整體設(shè)置與實際情況更加接近，減少設(shè)置不當(dāng)引起的誤差。

4.3 結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力結(jié)果

副車架應(yīng)力仿真結(jié)果是進(jìn)行疲勞耐久仿真的必要條件，在副車架與底盤其他連接的關(guān)鍵硬點位置，對副車架關(guān)鍵硬點加載單位載荷進(jìn)行計算，得到單位作用力力下的有限元應(yīng)力結(jié)果，從而關(guān)聯(lián)疲勞動態(tài)載荷進(jìn)行結(jié)果疊加計算損傷[6]。

目前計算結(jié)構(gòu)耐久的軟件較多，有Ncode、FEMFAT等，軟件中都包含了較為多的材料疲勞曲線數(shù)據(jù)，這些材料曲線能夠滿足基本的工程應(yīng)用。如果軟件中的材料庫不能滿足要求，可以根據(jù)材料的抗拉值及其他參數(shù)擬合出所需要材料的疲勞曲線；也可以根據(jù)工程需求，選取材料樣件做疲勞耐久試驗，得到相關(guān)的材料參數(shù)，從而進(jìn)行材料曲線擬合。

在所有輸入條件都準(zhǔn)備好后，對副車架進(jìn)行耐久仿真計算發(fā)現(xiàn)，減振器上安裝點位置吊耳邊緣損傷值為4.3，位置與開裂位置基本一致，損傷云圖如下圖2。因該副車架在完成25600公里路試時開裂，即壽命僅為設(shè)計目標(biāo)的64%左右，根據(jù)前文思路，需在原基礎(chǔ)上將該位置壽命提升36%以上才能滿足目標(biāo)。

圖2 開裂位置疲勞總損傷

5 優(yōu)化方案思路

通過對結(jié)構(gòu)分析，該副車架減振器上安裝點位置在現(xiàn)實情況中主要受到減振器軸向作用力較為惡劣，吊耳焊接邊與減振器軸向呈現(xiàn)一定角度，角度越大，則邊緣受力越明顯。根據(jù)該因素，提出優(yōu)化方案一：沿減振器軸向延長吊耳10mm，使得在減振器力作用時，能更好將力傳遞到其他位置，避免局部受力過于惡劣；優(yōu)化方案二：在原方案基礎(chǔ)上，加厚副車架縱臂梁到3.0mm，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。方案描述如下圖3：

圖3 優(yōu)化方案描述圖

根據(jù)以上思路，在原模型基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改并再次進(jìn)行疲勞耐久仿真計算，最后發(fā)現(xiàn)方案一原開裂位置耐久仿真計算損傷值2.0，與原結(jié)構(gòu)相比壽命提升53.5%左右；方案二原開裂位置耐久仿真計算損傷值1.9，與原結(jié)構(gòu)相比壽命提升55.8%左右。仿真云圖如下圖4：

圖4 優(yōu)化方案損傷云圖對比

根據(jù)計算結(jié)果得知兩種方案皆可滿足疲勞耐久性能目標(biāo)要求，但考慮到方案二整體加厚副車架縱臂梁方案會增加較多成本，且會較大增加質(zhì)量，在此建議考慮方案一作為最終實施方案。

6 結(jié)論

（1）通過有限元仿真軟件，可以對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置進(jìn)行疲勞耐久壽命預(yù)測評估，找出結(jié)構(gòu)薄弱位置，并進(jìn)行適當(dāng)加強使其滿足開發(fā)目標(biāo)要求。本文通過副車架開發(fā)過程中的開裂案例，講述了如何使用耐久仿真方法快速對副車架開裂位置進(jìn)行仿真計算分析，并根據(jù)計算結(jié)果做出評估判斷，提出有效改進(jìn)壽命的參考方案。

（2）耐久仿真計算需要前期做較多的準(zhǔn)備工作，包括路譜采集、信號處理、動載荷提取、有限元模型建立等步驟，每個步驟都或多或少帶來無法評估的誤差，因此后期耐久仿真計算中，壽命值預(yù)估難以做到與實際完全吻合。

（3）在解決問題時間較為緊迫情況下，根據(jù)耐久仿真損傷結(jié)果以及路試開裂里程數(shù)據(jù)，可以對比不同方案的耐久仿真數(shù)據(jù)趨勢，提出合理且有效的壽命提升參考方案，本文方法可以為后續(xù)開發(fā)提供借鑒性思路。

[1] 鄧雄志.前副車架焊縫疲勞分析和壽命優(yōu)化[J].計算機輔助工程, 2015,24（2）:17-18.

[2] 張少輝.基于六分力儀提取載荷譜的某乘用車副車架疲勞分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2017,55（6）:49-51.

[3] 李永利.疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2011:46-58

[4] 苗冬梅.基于車輛系統(tǒng)動力學(xué)建模仿真的整車疲勞動載荷分析研究[D].吉林:吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院,2017:15-18.

[5] 周傳月.MSC_Fatigue疲勞分析應(yīng)用與實例[M].北京:科學(xué)出版社, 2005:38-40.

[6] 孫晨凱.基于虛擬試驗場技術(shù)的SUV白車身疲勞壽命分析[D]. 吉林:吉林大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,2017:46-48.

Sub-fame structure and fatigue simulation analysis

Yang Jingfei, Song Hao, He Zhenghong, Shang Naiju

（ASIN Innovative Design and Manufacturing Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545000）

During the reliability road durability test of a vehicle being developed by a car company, it was found that cracking occurred in a certain position of the sub-frame, and the cracking affected the reliable durability performance evaluation. In order to solve the cracking problem quickly, the finite element method is used to simulate the sub-frame. The main idea: The road excitation signals collected from the test site are loaded into the multi-body dynamic suspension model, then the dynamic load of hard point is extracted, and finally the dynamic load is used as the durability simulation input.Based on the simulation analysis of the structure fatigue and durability of the sub-frame, the reason analysis of the crack position is carried out according to the simulation results, and the effective reference suggestions are put forward to provide favorable data support for improving the service life of the sub-frame.

sub-frame; cracking; Damage theory; Finite element; dynamics; durability simulation

U467

A

1671-7988(2019)14-117-03

U467

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1671-7988(2019)14-117-03

楊勁飛（1988.7-)，男，就職于廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司工程分析部，從事車身結(jié)構(gòu)強度及疲勞耐久仿真分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.038