副車架臺架疲勞試驗斷裂模擬及結(jié)構(gòu)改進分析

丁 芳，王愛國，倪晉挺

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與軌道學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

汽車的副車架不是一個完整的車架，它屬于前后車橋的構(gòu)成，類似前后車橋的骨架，對前后車橋、懸架起支撐作用，使之與“正車架”相連，所以稱為“副架”[1]。前副車架是非常重要的底盤結(jié)構(gòu)件，能夠為轉(zhuǎn)向機、下擺臂和穩(wěn)定桿等提供安裝定位基準[2]。通過對前副車架的損壞故障類型進行統(tǒng)計，得出90%故障是由于其結(jié)構(gòu)疲勞失效引起[3]，因此，在副車架開發(fā)過程中必須要進行疲勞試驗，以確保它的疲勞壽命能夠滿足要求[4]，安全行車。本文對某車型副車架進行臺架試驗，發(fā)生疲勞斷裂，因此，需要對該副車架進行疲勞分析，提高疲勞壽命。文獻[5]中驗證了在汽車結(jié)構(gòu)改進設(shè)計中運用有限元法的虛擬疲勞分析方法的可行性。

1 問題的提出

為了檢驗和確保某乘用車前懸架的質(zhì)量特性——疲勞強度，依據(jù)實車相同構(gòu)架制作的相關(guān)夾具進行安裝，對某乘用車前副車架總成和前控制臂總成在開發(fā)階段進行縱向力一定載荷級別的正弦加載臺架疲勞試驗，縱向力試驗相當于前懸架承受水平方向的剎車載荷與起動載荷，試驗規(guī)范要求是載荷循環(huán)次數(shù)大于300 000次。在試驗過程中，為了排除制造工藝等因素的影響，選取3件試驗樣品，將副車架和車身連接處進行約束固定，采取剛性固定，限制6個方向的自由度。載荷施加在左右球頭銷軸徑上，左右載荷同步、同頻，根據(jù)試驗規(guī)范，對3件試驗樣品施加幅值為7 000 N、頻率為1～3 Hz的正弦交變載荷，載荷施加在左右球頭銷軸徑上，左右載荷同步、同頻、同值，方向如圖1所示。

圖1 前副車架總成縱向力試驗

在試驗過程中，若發(fā)現(xiàn)橡膠襯套或其他陪試零件提前損壞或失效，應(yīng)及時更換損壞零件繼續(xù)做試驗，直至前副車架總成和前控制臂總成發(fā)生疲勞破壞，疲勞裂紋達到10 mm以上，即可判定失效，試驗終止。圖2為前副車架總成縱向力試驗照片。

圖2 前副車架總成縱向力試驗

試驗結(jié)果：所有3個樣件均在90 000～100 000之間發(fā)生疲勞裂紋，裂紋擴展方式如圖3所示由外向里形成。

圖3 疲勞試驗裂紋分布

觀察3個樣件的疲勞裂紋，可知其疲勞損傷位置大致相同，都是局部開裂，發(fā)生在副車架和控制臂連接處，足以說明原設(shè)計在該位置存在缺陷，為提高該副車架的疲勞壽命，必須對原設(shè)計方案進行分析并提出改進方案。根據(jù)目前推行的疲勞耐久性分析方法，可以運用基于有限元法的疲勞分析來模擬臺架試驗，針對副車架的薄弱環(huán)節(jié)進行改進，并對改進方案進行分析驗證[6]。

2 耐久性分析與結(jié)構(gòu)改進

2.1 有限元模型建立

使用Hypermesh軟件對副車架和控制臂總成進行幾何清理，進行網(wǎng)格劃分時副車架采用S4殼單元，由于四邊形殼單元位移模式的次數(shù)高于三角形殼單元，能更好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，計算精度更高[7]，因此，在建模時單元主要采用四邊形；控制臂用C3D8實體單元建模；焊點采用BEAM模擬；焊縫按照連續(xù)處理，采用同厚度的殼單元模擬，所用材料屬性和母材相同；連接部分采用不同類型的connector模擬[8]。圖4為副車架有限元模型。圖5為副車架局部模型。

圖4 副車架和控制臂總成有限元模型

圖5 副車架局部模型

為了進一步提高模型的精度，采用合理的單元對特殊位置進行模擬?？刂票酆透避嚰苤g連接處的尼龍襯套剛度較大，在分析時可以將尼龍襯套簡化為剛性連接[9]。以實際工況為標準，參考臺架試驗的實際固定位置進行約束，載荷施加在控制臂左右球頭銷軸徑上，左右載荷同步、同頻、同值。載荷幅值為7 000 N、頻率為1～3 Hz。

2.2 應(yīng)力計算結(jié)果

1)分析一：控制臂與副車架之間采用剛性連接，應(yīng)力云圖如圖6所示，忽略掉由于剛性連接引起的集中應(yīng)力，該副車架最大應(yīng)力為307.5 MPa。如圖所示，最大應(yīng)力分布區(qū)域與臺架試驗裂紋區(qū)域完全一致，說明有限元模型精確。

圖6 控制臂與副車架之間剛性連接應(yīng)力云圖

2)分析二：控制臂與副車架之間用尼龍襯套的剛度參數(shù)模擬，應(yīng)力云圖如圖7所示，忽略該副車架的集中應(yīng)力，知最大應(yīng)力為307 MPa，此應(yīng)力大小與分布情況同上述分析一結(jié)果一致。這表明尼龍襯套的剛度數(shù)值相對較高，可以簡化為剛性連接。

圖7 尼龍襯套剛度參數(shù)應(yīng)力云圖

2.3 副車架結(jié)構(gòu)改進方案

2.3.1 改進方案及應(yīng)力計算結(jié)果

對副車架的結(jié)構(gòu)進行取樣分析，分析的結(jié)果表明副車架使用材料的力學(xué)性能和化學(xué)成分都能滿足材料標準，因此，排除這兩個因素導(dǎo)致的疲勞失效，應(yīng)重點對該副車架的結(jié)構(gòu)進行分析改進。由于副車架3個樣件的疲勞損傷位置為局部開裂，判斷該位置(點A處)存在缺陷，應(yīng)針對此處進行改進，以提高副車架總成的疲勞壽命，因此，在疲勞裂紋形成區(qū)域進行局部加強[10]，增加材料使薄弱處結(jié)構(gòu)弧度減小，圖8為對副車架進行局部加強示意圖。局部加強后進行有限元應(yīng)力分析，應(yīng)力云圖如圖9所示，原疲勞損傷位置(點A處)結(jié)構(gòu)應(yīng)力由307 MPa下降到186 MPa，最大應(yīng)力位置下移至點B，數(shù)值為277 MPa，可見局部加強方案效果明顯。

圖8 副車架局部加強示意圖

圖9 改進方案應(yīng)力云圖

2.3.2S-N曲線擬定

對副車架進行仿真應(yīng)力分析，獲得邊界載荷歷程和材料疲勞特性，將其輸入到MSC.Fatigue中進行疲勞應(yīng)力分析。點擊Analysis按鈕設(shè)置疲勞分析方法，選擇S-N法。通過Materials Database Manager設(shè)置材料相關(guān)參數(shù)，根據(jù)廠家提供的資料，該副車架材料為QSTE420TM，參數(shù)如表1所示，在Fatigue中輸入?yún)?shù)信息，按照經(jīng)驗公式估算，系統(tǒng)自動生成材料的S-N曲線，能夠反映結(jié)構(gòu)所受外應(yīng)力S和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命N兩者的關(guān)系，如圖10所示。

表1 QSTE420TM材料參數(shù)

圖10 材料估算所得S-N曲線

2.3.3 疲勞壽命分析

采用名義應(yīng)力法對副車架改進前后的方案進行耐久分析，名義應(yīng)力法根據(jù)材料的S-N曲線，對照結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷部位的名義應(yīng)力，結(jié)合疲勞損傷累積理論，分析結(jié)構(gòu)的疲勞強度，預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，采用名義應(yīng)力法進行結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算的步驟如圖11所示。表2為副車架改進前后和理想應(yīng)力水平的疲勞壽命，結(jié)果顯示改進后副車架的疲勞壽命有顯著提高。對于原始方案，計算結(jié)果為5.52×104次時出現(xiàn)初始裂紋。試驗結(jié)果顯示循環(huán)次數(shù)9×104至10×104時，形成了圖示裂紋，可見二者有很好的一致性。對于改進方案，應(yīng)力水平下降到277 MPa，循環(huán)次數(shù)可以達到18.5×104次，較原方案提高2.35倍，但仍不滿足目標值30×104次，需要進一步更改結(jié)構(gòu)。

圖11 名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟

表2 副車架結(jié)構(gòu)改進前后疲勞壽命

2.3.4 進一步改進方案

針對第一次改進方案中的最大應(yīng)力位置下移至點B處，對點B處區(qū)域進行進一步局部加強，使點B處的結(jié)構(gòu)弧度減小，圖12為對結(jié)構(gòu)進行進一步局部加強的示意圖。對再次改進后的設(shè)計方案進行有限元應(yīng)力分析，圖13為分析應(yīng)力云圖，可知副車架疲勞損傷位置最大應(yīng)力由277 MPa下降到213 MPa，小于材料的疲勞極限265 MPa，能夠通過疲勞試驗測試。

圖12 進一步局部加強示意圖

圖13 進一步改進方案應(yīng)力云圖

副車架的改進設(shè)計除了要重點考慮疲勞失效位置的應(yīng)力大小和疲勞壽命改進效果，同時還應(yīng)保證改進后的副車架其他部位不會發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，因此，改進后還須對副車架和控制臂進行有限元應(yīng)力分析[11]。圖14所示為副車架上體整體應(yīng)力云圖，顯示最大應(yīng)力為224 MPa；圖15為控制臂整體應(yīng)力云圖，顯示最大應(yīng)力小于190 MPa。兩者結(jié)合可以得知，在進行結(jié)構(gòu)改進后，副車架整體最大應(yīng)力為224 MPa，小于材料的疲勞極限，驗證了在點A處和點B處區(qū)域進行局部加強的改進方案的可行性。

圖14 副車架上體整體應(yīng)力云圖

圖15 控制臂整體應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

1)副車架疲勞試驗控制臂與副車架之間采用尼龍襯套連接，剛度較大，分析時可以將其簡化為剛性連接，二者結(jié)果基本一致；分析結(jié)果表明副車架最大應(yīng)力區(qū)域與疲勞裂紋形成位置完全一致。

2)在疲勞裂紋形成區(qū)域局部加強后，發(fā)生裂紋處的應(yīng)力由307 MPa下降到186 MPa；此外，副車架最大應(yīng)力位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，最大應(yīng)力為277 MPa。進一步的疲勞分析表明，局部加強后，仍然不能滿足試驗要求。

3)副車架經(jīng)過二次局部加強后，最大應(yīng)力下降到213 MPa，遠小于理想應(yīng)力水平265 MPa，預(yù)計疲勞壽命能達到理想目標值，且改進后的副車架其他部位沒有發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移，驗證了二次局部加強方案的可行性。