礦用汽車縱臂斷裂失效分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王 輝(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

汽車懸架系統(tǒng)的主要作用是用來緩和車輛在行駛中所受路面的沖擊與振動(dòng)，保證車輛具有良好的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性[1].礦用汽車的自重比較大，滿載時(shí)其質(zhì)量可達(dá)千噸，由于其經(jīng)常工作在崎嶇不平的路面上，長期受到外部載荷的沖擊，一旦其前橋結(jié)構(gòu)件因選材、設(shè)計(jì)、制造等方面的不足，就會(huì)導(dǎo)致懸架的變形甚至斷裂失效，將極大地影響到車輛行駛的安全.目前，利用ABAQUS有限元分析軟件不僅能夠計(jì)算懸架結(jié)構(gòu)件的靜力學(xué)性能，還可以精確地模擬汽車前橋零部件在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能.基于此，本研究針對(duì)某單縱臂懸架礦用汽車的試驗(yàn)樣車縱臂斷裂失效的情況，利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)處于動(dòng)態(tài)沖擊下的礦用汽車前橋單縱臂的受力變形情況進(jìn)行了分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn).

1 前橋縱臂斷裂失效分析

某礦用汽車單縱臂懸架前橋的結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中，主銷4的中間部位與縱臂2的圓柱筒通過錐面過盈配合，主銷內(nèi)傾角由縱臂2的圓柱筒來保證，縱臂2可以繞著與車架固聯(lián)的銷軸3上下轉(zhuǎn)動(dòng)；懸掛缸1的一端通過鉸鏈與車架連接，另一端通過鉸鏈與主銷4上面的端蓋連接；主銷4的上下端與轉(zhuǎn)向節(jié)6相連，轉(zhuǎn)向節(jié)6可以繞著主銷4的中心線旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)6上的車輪5左右轉(zhuǎn)動(dòng).由于單縱臂懸架前橋結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，因此，本研究取其左邊1/2作為分析對(duì)象.

圖1 單縱臂懸架前橋結(jié)構(gòu)示意圖

作為分析對(duì)象的某單縱臂懸架礦用汽車樣車前橋的左縱臂實(shí)拍如圖2所示.其結(jié)構(gòu)是由縱臂鑄件和縱臂鋼板焊接件兩部分組成，中間折彎的地方是焊接的分界線.

圖2 礦用汽車縱臂部位實(shí)拍圖

該礦用汽車樣車在行駛試驗(yàn)的過程中出現(xiàn)縱臂斷裂的情況，斷裂位置發(fā)生在縱臂鑄件上(見圖3)，縱臂鑄件在與主銷的連接處斷成了兩半.從圖3(a)可以明顯的看出其鑄造質(zhì)量較差，斷口面不僅有較大的不規(guī)則的氣孔，還含有絲線類的雜質(zhì).其中，氣孔的存在減小了金屬的有效承載面積，使得應(yīng)力集中，增大了缺口的敏感性，造成了金屬材料的強(qiáng)度下降和抗疲勞能力的降低，成為零件斷裂的裂紋源[2]；而絲線類等雜質(zhì)的存在則極大地破壞了金屬材料的連續(xù)性，降低了材料原本的強(qiáng)度和塑性.一般來說，金屬材料的斷裂失效可以分為韌性斷裂失效、低溫脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效和環(huán)境破裂失效等[3-5].從圖3(b)可以看到，失效的縱臂鑄件斷口較為平齊，斷裂方向與正應(yīng)力的方向垂直，斷裂面處較為光亮，經(jīng)判定為金屬材料的脆性斷裂.通常，金屬材料脆性斷裂失效的原因一般不是因?yàn)檫^載而是因?yàn)闆_擊所造成的[6].

圖3 縱臂斷口圖

2 改進(jìn)前模型的建立及有限元分析

2.1 改進(jìn)前單縱臂懸架三維模型的建立

本研究利用Solidworks軟件，建立起單縱臂懸架的實(shí)體模型如圖4所示.

圖4 懸架縱臂的模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中，縱臂模型是由縱臂鑄件圖4(a)和縱臂鋼板焊接件圖4(b)焊接而成.為了在有限元軟件中進(jìn)行有效地分析，對(duì)模型做了必要的簡化：忽略了焊接縫隙的大小和銷軸軸套的影響，以及倒角、倒圓等特征，以避免在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，因小特征產(chǎn)生過多的有限元分析單元，使得結(jié)構(gòu)分析精度降低.所建立的單縱臂懸架三維模型如圖5所示.

圖5 單縱臂懸架三維模型示意圖

2.2 材料選擇與網(wǎng)格劃分

2.2.1 材料選擇.

通常，對(duì)于要給焊接在一起的零部件賦予不同的屬性，需要先把焊接后的部件作為一個(gè)整體導(dǎo)入，在焊接的部位進(jìn)行分割，然后再對(duì)分割的部分分別賦予不同的材料屬性，繼而才能做進(jìn)一步的處理.本模型中，懸架的縱臂鑄件選用35#鋼，鋼板焊接件選用Q345A鋼，所選材料具體的參數(shù)如表1所示.

表1 縱臂材料的選擇

在動(dòng)力學(xué)分析中，由于懸架所受到的沖擊載荷比較大，容易出現(xiàn)塑性變形.因此，在ABAQUS中還必須把名義的應(yīng)力和應(yīng)變轉(zhuǎn)換為真實(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變，并據(jù)此定義材料的塑性特性數(shù)據(jù)[7].

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)劃分.

在選用ABAQUS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，本研究的生成算法選用在可靠性、幾何通用性和效率上都較好的四面體網(wǎng)格，并在不同的部位對(duì)網(wǎng)格的大小進(jìn)行合理控制.所建立的單縱臂前橋的有限元網(wǎng)格模型如圖6所示.通過Mesh→verify網(wǎng)格檢查高亮顯示，得知網(wǎng)格劃分較好.

圖6 單縱臂前橋的有限元網(wǎng)格劃分模型示意圖

2.3 彈塑性力學(xué)分析

2.3.1 滿載沖擊工況.

滿載沖擊工況主要是用來模擬礦用汽車在滿載直線行駛時(shí)遇到路面高低不平對(duì)縱臂所產(chǎn)生的沖擊情況.路面的不平度可以用脈沖輸入來近似模擬，主要有三角形凸塊和長方形凸塊兩種[8].對(duì)于滿載超百噸級(jí)的礦用汽車，一般選取長方形凸塊的脈沖輸入，將其長度設(shè)定為5 000 mm，高度設(shè)定為100 mm.當(dāng)?shù)V用汽車以50 km/h的速度通過時(shí)，所采用的路面不平度可按式(1)計(jì)算，

q=(100/2)·sin(pi·x/5 000)

(1)

式中，x為分割的數(shù)量，得到在采樣時(shí)間為0.01 s時(shí)，等距離間隔為36，位移等距離間隔(5 000/36 mm),從而得到每個(gè)采樣時(shí)間所對(duì)應(yīng)的路面不平度q值的大小.按照等比例變換，就可以得到脈沖應(yīng)力變化所需要的幅值如圖7所示.

圖7 模擬脈沖變化幅值曲線

研究的礦用自卸汽車在滿載時(shí)單個(gè)縱臂要承擔(dān)的載荷為50 t.在進(jìn)行外力加載時(shí)，需要將該載荷在0.36 s的時(shí)間內(nèi)加載到轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，由此分析縱臂的受力變形情況.在路面的沖擊作用下，縱臂的應(yīng)力值大小隨著時(shí)間增加而不斷變化.經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到懸架縱臂所受的最高應(yīng)力隨沖擊時(shí)間的變化曲線如圖8所示.

圖8 縱臂所受的最高應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

由圖8可以看出，縱臂受到的最大的沖擊應(yīng)力約為445 MPa.而應(yīng)力值已大于縱臂鑄件與焊接件的屈服極限，兩種材料均出現(xiàn)了塑性變形.

在0.318 s時(shí)，縱臂所受應(yīng)力的分布情況如圖9所示.此時(shí)，其最大應(yīng)用為445.5 MPa,可見，當(dāng)?shù)V用汽車處于滿載沖擊工況時(shí)，比較危險(xiǎn)的區(qū)域?yàn)榭v臂焊接件折彎處以及縱臂與銷軸連接的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域處.前橋零部件最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位則是在與轉(zhuǎn)向節(jié)相連接的縱臂鑄件的上下表面以及轉(zhuǎn)向節(jié)與主銷連接的區(qū)域.在實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，在縱臂鑄件處出現(xiàn)了斷裂.分析結(jié)果與縱臂斷裂失效的部位一致.

圖9 t=0.318 s時(shí)縱臂應(yīng)力分布情況

2.3.2 動(dòng)態(tài)左轉(zhuǎn)向至極限工況.

動(dòng)態(tài)左轉(zhuǎn)向至極限工況，是用來模擬汽車在滿載直線行駛時(shí)，突然向左打方向盤，車輪轉(zhuǎn)角的變化對(duì)縱臂的影響.當(dāng)?shù)V用汽車向左轉(zhuǎn)向時(shí)，此時(shí)前橋的左前輪為內(nèi)轉(zhuǎn)向輪，最大轉(zhuǎn)角為39°.將總的分析時(shí)間設(shè)定為4 s，第1 s，轉(zhuǎn)向節(jié)不動(dòng)，將滿載載荷施加在轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，剩余的3 s是轉(zhuǎn)向節(jié)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的加載時(shí)間，由此可以得到縱臂所受的最高應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示.

圖10 左轉(zhuǎn)向時(shí)，縱臂所受的最高應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角變化曲線

由圖10可以看出，縱臂隨車輪轉(zhuǎn)角的變化所受到的最大應(yīng)力為456 MPa. 此時(shí)，作用力臂最長，作用力矩最大.在縱臂鑄件和縱臂焊接件材料的屈服極限處均出現(xiàn)了突變，說明材料的彈塑性能在縱臂的受力過程中起到了非常重要的作用.

在左轉(zhuǎn)向至極限的工況中，礦用汽車縱臂最大塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖11所示.

圖11 縱臂最大塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)角的變化曲線

由圖11可知，當(dāng)應(yīng)力值大于縱臂鑄件的屈服極限后，縱臂鑄件和焊接件均發(fā)生了較為明顯的塑性變形，在車輪轉(zhuǎn)角超過36°后，塑性應(yīng)變不再發(fā)生變化，材料開始進(jìn)入到硬化階段.

當(dāng)轉(zhuǎn)角為29°時(shí)，縱臂所受的應(yīng)力的分布情況如圖12所示.

圖12 當(dāng)轉(zhuǎn)角為29°時(shí)，縱臂應(yīng)力分布情況

由圖12可知，縱臂所受的最大應(yīng)力發(fā)生的部位同礦用汽車滿載行駛所受到的路面的沖擊情況相類似，因此，在縱臂的設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮所涉及的幾個(gè)區(qū)域的剛度與強(qiáng)度的影響.

2.3.3 動(dòng)態(tài)右轉(zhuǎn)向至極限工況.

動(dòng)態(tài)右轉(zhuǎn)向至極限工況，是用來模擬汽車在滿載直線行駛時(shí)，突然向右打方向盤，車輪轉(zhuǎn)角的變化對(duì)縱臂的影響.當(dāng)汽車右轉(zhuǎn)向時(shí)，此時(shí)前橋的左前輪為外轉(zhuǎn)向輪，最大轉(zhuǎn)角為27°.在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，只需要將左轉(zhuǎn)向分析時(shí)所設(shè)定的換算角度改為右轉(zhuǎn)向時(shí)的換算角度，同時(shí)改變符號(hào)，表明方向不同.其余的約束及加載不發(fā)生變化.重新進(jìn)行分析計(jì)算，可以得到縱臂在右轉(zhuǎn)向時(shí)所承受的最高應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線如圖13所示.

圖13 右轉(zhuǎn)向時(shí)，縱臂所受的最高應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角變化曲線

從圖13可以看出，縱臂隨車輪轉(zhuǎn)角的變化所受到的最大的應(yīng)力值為565 MPa.出現(xiàn)這么大的應(yīng)力集中，主要原因還是在轉(zhuǎn)向節(jié)向右轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中與縱臂的結(jié)構(gòu)形成了一定的相互干涉，造成了應(yīng)力的瞬時(shí)增加.

在右轉(zhuǎn)向至極限的工況中，礦用汽車縱臂最大塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖14所示.

圖14 懸架的最大塑性應(yīng)變隨轉(zhuǎn)角的變化曲線

由圖14可知，當(dāng)應(yīng)力值大于縱臂鑄件的屈服極限后，縱臂鑄件和焊接件均發(fā)生了較為明顯的塑性變形.右轉(zhuǎn)工況同左轉(zhuǎn)工況相比，縱臂塑性應(yīng)變的數(shù)值明顯要大很多.

將應(yīng)力的最小值設(shè)定為縱臂鑄件的屈服極限，最大值設(shè)定為縱臂焊接件的屈服極限，可以得到縱臂在轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角為25°時(shí)應(yīng)力的分布情況如圖15所示.

圖15 轉(zhuǎn)角為25°時(shí)，縱臂應(yīng)力分布情況

從圖15可以看出，在轉(zhuǎn)向節(jié)和縱臂連接的上表面以及縱臂和主銷連接的側(cè)面均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中發(fā)生的部位與縱臂斷裂的部位一致.

3 改進(jìn)后模型的建立及有限元分析

3.1 改進(jìn)措施

通過對(duì)縱臂斷口的宏觀觀測以及ABAQUS軟件對(duì)單縱臂懸架的有限元分析可知，礦用汽車前橋結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度與選擇的材料、加工的質(zhì)量以及具體的設(shè)計(jì)方案密切相關(guān).在實(shí)車前橋縱臂發(fā)生斷裂失效后，需要對(duì)前橋的結(jié)構(gòu)件尤其要對(duì)縱臂斷裂的部位加以改進(jìn)，本研究采取的改進(jìn)措施包括：

1)在整車允許的范圍內(nèi)，抬高縱臂的整體高度，提高縱臂的抗彎和抗扭的能力；

2)通過優(yōu)化分析，找到縱臂焊接件各鋼板的最佳厚度；

3)在縱臂折彎處采用較大的圓弧過渡，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中；

4)將縱臂由縱臂鑄件和縱臂焊接件焊接的方式改為全焊接件焊接，材料改為屈服極限比較大的DB590材料；

5)通過參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，將主銷內(nèi)傾角由原來的6°改為3°.為保證主銷內(nèi)傾角的度數(shù)，將原縱臂鑄件所鑄造的主銷配合孔，用一個(gè)專門的圓柱筒來替代，該圓柱筒與其余的縱臂焊接件焊接連接.

3.2 改進(jìn)后單縱臂懸架有限元模型的建立

將改進(jìn)后的單縱臂懸架重新在Solidworks軟件中建模，并再次導(dǎo)入到ABAQUS有限元分析軟件中，得到改進(jìn)后的懸架三維模型如圖16所示.

圖16 改進(jìn)后的單縱臂懸架三維模型示意圖

3.3 材料的選擇及網(wǎng)格的劃分

改進(jìn)后的縱臂鋼板焊接件采用的材料是DB590，具體的參數(shù)如表2所示.同時(shí)賦予該材料的塑性特性數(shù)據(jù).

表2 縱臂材料的選擇

對(duì)于改進(jìn)后的前橋模型的網(wǎng)格劃分仍然采用手動(dòng)布置種子的方法.重新劃分好網(wǎng)格后的前橋模型如圖17所示，經(jīng)過網(wǎng)格檢查高亮顯示，可知網(wǎng)格的大小、均勻程度及數(shù)量都較好，符合計(jì)算的要求.

圖17 改進(jìn)后單縱臂前橋的有限元網(wǎng)格模型

為了便于與改進(jìn)前的模型進(jìn)行分析比較，同樣對(duì)新建立的前橋模型進(jìn)行3種工況條件下的應(yīng)力和應(yīng)變分析，以觀察前橋縱臂在經(jīng)過改進(jìn)后的受力和變形情況.

3.4 改進(jìn)后縱臂的彈塑性力學(xué)分析

3.4.1 滿載沖擊工況.

滿載沖擊工況是將50 t的重力在0.36 s的時(shí)間內(nèi)加載到新的前橋模型的轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，其余約束保持不變.此時(shí)，縱臂所受的最高應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線如圖18所示.

圖18 改進(jìn)后縱臂所受的最高應(yīng)力值隨時(shí)間的變化曲線

從圖18可以看出，縱臂所受到的最大應(yīng)力值為318 MPa，遠(yuǎn)小于DB590材料的屈服極限.縱臂所受的最高應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線光滑，過渡平穩(wěn).在沖擊過程中，縱臂的塑性變形值始終為零，表明改進(jìn)后的縱臂處于滿載沖擊工況時(shí)，材料始終處于彈性變形階段，未發(fā)生塑性變形.

3.4.2 動(dòng)態(tài)左轉(zhuǎn)向至極限工況.

在車輪向左轉(zhuǎn)向至最大39°的過程中，改進(jìn)后的模型其動(dòng)態(tài)加載過程同原模型，縱臂所受到的最高應(yīng)力值隨時(shí)間變化的曲線如圖19所示.

圖19 左轉(zhuǎn)向時(shí)，改進(jìn)縱臂的最高應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角變化曲線

從圖19可以看出，該工況最大應(yīng)力值為490 MPa，小于材料DB590的屈服極限.在左轉(zhuǎn)向至極限的工況中，改進(jìn)后的縱臂的塑性變形值始終為零，表明改進(jìn)后的縱臂在這一工況下，材料始終處于彈性變形階段，未發(fā)生塑性變形.

3.4.3 動(dòng)態(tài)右轉(zhuǎn)向至極限工況.

在車輪向右轉(zhuǎn)向至最大27°的過程中，改進(jìn)后的模型其動(dòng)態(tài)加載過程同原模型，縱臂所受到的最高應(yīng)力值隨時(shí)間變化的曲線如圖20所示.

從圖20可以看出，該工況最大應(yīng)力值為464.2 MPa，小于了材料DB590的屈服極限，同時(shí)也小于左轉(zhuǎn)向時(shí)的最高應(yīng)力，說明該工況下不存在干涉.同時(shí)，在右轉(zhuǎn)向至極限的工況中，改進(jìn)后的縱臂材料的塑性變形值始終為零，這表明改進(jìn)后的縱臂在轉(zhuǎn)向節(jié)右轉(zhuǎn)向至極限的工況下，材料始終是處于彈性變形階段，未發(fā)生塑性變形.

圖20 右轉(zhuǎn)向時(shí)，改進(jìn)縱臂的最高應(yīng)力隨轉(zhuǎn)角變化曲線

4 結(jié) 語

本研究通過對(duì)礦用汽車前橋縱臂的斷口進(jìn)行宏觀分析和彈塑性能的有限元分析，得出如下結(jié)論：在礦用汽車前橋縱臂的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)階段，對(duì)材料的選取要保證足夠的安全系數(shù)；當(dāng)縱臂處于不平整路面沖擊和左右瞬時(shí)轉(zhuǎn)向的工況下，在縱臂與轉(zhuǎn)向節(jié)相連接的上下表面、縱臂與主銷的連接側(cè)面、縱臂折彎處以及縱臂與銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接處都會(huì)出現(xiàn)比較大的沖擊載荷，在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)對(duì)這些部位重點(diǎn)加強(qiáng)，以避免應(yīng)力集中；針對(duì)單縱臂懸架所出現(xiàn)的縱臂斷裂情況，在工藝處理上給予改進(jìn)，還應(yīng)選用DB590這種屈服強(qiáng)度更大的材料，以保證材料不發(fā)生變形.同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量的過程管理，尤其是要對(duì)鑄造、焊接等加工工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，并在試車前對(duì)所用零部件進(jìn)行嚴(yán)格的檢測.