轎車后副車架多軸疲勞分析

程穩(wěn)正 曹征棟 于長清 霍福祥

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心汽車振動噪聲和安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室）

1 前言

轎車底盤零部件在轎車行駛過程中承受來自路面的隨機激勵，其壽命受到各方向載荷的影響。多軸疲勞壽命預測技術(shù)直接采用隨機載荷譜，與車輛實際使用環(huán)境更接近，在產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應用。轎車的后副車架多為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，對其進行多軸疲勞分析的關(guān)鍵是焊接位置的壽命預測，文獻[1]和文獻[2]綜述了焊縫壽命預測的一些方法，指出焊縫壽命預測主要取決于兩方面:一是準確獲得焊縫位置附近節(jié)點的結(jié)構(gòu)應力響應歷程，二是具有綜合考慮各種影響因素的焊縫數(shù)據(jù)庫。

本文以某轎車五連桿獨立后懸架的副車架為研究對象，通過在有限元模型中布置虛擬應變片，獲得了隨機載荷譜作用下裂紋位置的應變歷程，并與試驗測試結(jié)果進行比較，驗證了計算模型所獲得的結(jié)構(gòu)應力響應歷程的準確性。在此基礎(chǔ)上，運用具有比較完整焊縫數(shù)據(jù)庫的疲勞分析軟件FEMFAT對焊縫位置的壽命進行了預測。

2 多軸疲勞壽命計算

多軸疲勞壽命計算的主要環(huán)節(jié)見圖1。

2.1 單位載荷應力計算

單位載荷應力計算的目的是得到各通道單位載荷作用下的每個節(jié)點的應力張量，為多通道載荷譜作用下應力張量的線性疊加提供輸入條件。

利用有限元計算單位載荷應力的方法有2種，一種方法是通過多體動力學分解輪心載荷到零部件，再通過有限元計算零部件的應力；另一種方法是通過簡化系統(tǒng)模型，直接在輪心位置加載通道單位載荷得到零部件應力。第1種方法對于受力點比較少的零部件非常適用，但對于受力點多的零部件顯得比較繁瑣；第2種方法省去了載荷分解工作，但對模型簡化的合理性要求較高。

2.2 危險截面等效應力計算

目前，對多軸疲勞的研究普遍采用臨界平面法，即首先通過分析多軸疲勞應力確定臨界平面，然后在臨界平面上建立多軸疲勞損傷參量。由于確定臨界平面采用的依據(jù)不同，形成了不同的研究方法，如以最大剪應力平面、最大正應力平面或兩者某一線性組合為最大的平面等作為臨界平面[3，4]。本文采用等效應力計算方法[5]，并綜合考慮了正應力和剪切應力的影響。

等效應力計算式為:

式中，σeq為等效應力；sign（σN）為由法向應力確定的正負號；σN為法向應力；σW，ZD為交變拉壓載荷疲勞極限；τW，T為交變剪切載荷疲勞極限；τx、τy分別為 x向和y向的剪切應力。

2.3 疲勞損傷值計算

影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素有應力梯度、存活率、平均應力、表面質(zhì)量和焊接等，這些因素均應被考慮。本文采用疲勞分析軟件FEMFAT來考核焊接位置的影響。FEMFAT有比較完整的焊縫數(shù)據(jù)庫，具有多種標準的焊縫類型，每種焊縫類型包含焊接缺口系數(shù)、HAIGH圖、S/N曲線、板厚影響數(shù)據(jù)等。焊縫的缺口應力疲勞極限基于試驗數(shù)據(jù)獲得[6]。

采用Palmgren-Miner線性累積損傷計算方法計算疲勞損傷值，即

式中，∑D為累積損傷值；ni為應力為σi時的循環(huán)次數(shù)；Ni為應力為σi時的疲勞壽命。

對于隨機載荷，試驗件破壞的臨界損傷值在1附近[7]。

3 有限元模型驗證

3.1 臺架試驗

某轎車在開發(fā)過程中采用道路載荷測試系統(tǒng)，在產(chǎn)品開發(fā)初期獲得了代表我國用戶使用工況的載荷譜。測試路況涵蓋高速、城郊結(jié)合、一般公路、山區(qū)、城市、不平整路等典型路況特征，結(jié)合農(nóng)安試車場性能路測試載荷譜，通過載荷譜關(guān)聯(lián)獲得了與用戶使用環(huán)境相當?shù)呐_架試驗載荷譜。利用MTS329整車道路模擬系統(tǒng)進行后懸架系統(tǒng)8通道隨機載荷譜激勵疲勞試驗，試驗目標為載荷譜500循環(huán)。8通道載荷分別為前后方向、上下方向、左右方向及制動載荷，懸架兩側(cè)各4個通道，試驗裝置見圖2；應變片布置在垂直于焊縫的位置，見圖3。

3.2 有限元模型建立

某轎車后懸架為五連桿獨立懸架，副車架與車身之間有4個帶有橡膠襯套的安裝點，副車架與轉(zhuǎn)向節(jié)之間通過4個連桿和1個彈簧托臂相連接，彈簧、減振器、緩沖塊等組裝后連接到彈簧托臂上。由于副車架受力點較多，采用了系統(tǒng)模型直接在輪心施加臺架試驗各通道單位載荷。取后副車架為研究對象，其它零部件均采用簡化結(jié)構(gòu)，約束后懸架與車身連接部位。計算模型見圖4。

3.3 分析結(jié)果與測試結(jié)果比較

在有限元模型中布置虛擬應變片，如圖5所示。虛擬應變片采用兩點定義，劃分網(wǎng)格時的單元形狀為規(guī)則的四邊形，且節(jié)點位置與實際應變片位置保持一致。對比結(jié)果見圖6和圖7。

比較圖6和圖7可看出，有限元簡化模型的計算結(jié)果與測試結(jié)果吻合良好，表明計算模型有效。

4 壽命預測與結(jié)構(gòu)改進

壽命預測損傷值分布見圖8。由圖8可看出，在前上控制臂支架焊縫的A位置和B位置處損傷值較大，與臺架試驗出現(xiàn)裂紋的位置（圖9）相吻合。

為降低這2個位置的損傷值，對零件結(jié)構(gòu)進行了改進。改進措施為:增加前上控制臂支架的厚度并更改結(jié)構(gòu)的形狀；增加管梁的厚度。為避免有限元網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果的影響，在對比分析過程中，嚴格保證不同模型焊接位置網(wǎng)格的質(zhì)量，并保持相似性。改進結(jié)構(gòu)前、后損傷值比較見表1。

表1 結(jié)構(gòu)改進前、后損傷值比較

由表1可知，改進結(jié)構(gòu)后，A點損傷值降低約66%，B點損傷值降低約51%，改進結(jié)構(gòu)通過了臺架試驗。

需要說明的是，焊縫疲勞強度數(shù)據(jù)是有限的，而且實際結(jié)構(gòu)中接頭類型較復雜，計算分析模型中定義的焊縫屬性與實際情況不一定相符；此外，焊縫位置受工藝因素的影響很大，其壽命存在很大的離散性。這些都會導致計算分析結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定差異，故損傷值計算結(jié)果和臺架試驗壽命并不成比例關(guān)系，但趨勢是一致的。

5 結(jié)束語

探討了臺架試驗多軸疲勞壽命預測的方法，通過多軸疲勞分析，解決了某轎車后副車架臺架試驗出現(xiàn)裂紋的問題，并得出:

a.臺架試驗測試應變片歷程和有限元計算結(jié)果吻合良好，證明有限元模型是正確的，從而簡化了多軸疲勞各通道應力場的獲取方法；

b.通過臺架試驗工況的壽命預測分析，找到了臺架試驗的危險位置和損傷值，為結(jié)構(gòu)改進提供了目標參考；

c.采用CAE分析和臺架試驗相結(jié)合的方法能有效預測結(jié)構(gòu)的壽命并指導結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 周張義，李芾，卜繼玲.基于名義應力的焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度評定方法研究.內(nèi)燃機車，2007（7）.

2 周張義，李芾.基于表面外推的熱點應力法平板焊趾疲勞分析研究.鐵道學報，2009,31 （5）:90～96.

3 王雷，王德俊.多軸疲勞壽命預測及驗證.東北大學學報（自然科學版），2002，23 （2）.

4 王英玉，姚衛(wèi)星.材料多軸疲勞破壞準則回顧.機械強度，2003，25（3）.

5 FEMFAT V4.7 help document.Max,Page 137.

6 FEMFAT V4.7 help document.Weld,Page 7.

7 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.北京:國防工業(yè)出版社，2003.