扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)性能仿真及優(yōu)化設(shè)計

溫作蔡　王輝　伍建華

摘要：在汽車底盤設(shè)計過程中，為減小扭轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)性能可能存在的設(shè)計風險，對扭力梁后橋進行了有限元結(jié)構(gòu)性能仿真。首先建立了扭轉(zhuǎn)梁后橋有限元模型，并應(yīng)用Abaqus對該扭轉(zhuǎn)梁后橋在三種典型危險工況下進行了靜態(tài)強度分析。并應(yīng)用MSC.Nastran和Ncode.Designlife對該后橋進行了疲勞壽命預(yù)測，并根據(jù)仿真結(jié)果提出有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明經(jīng)過優(yōu)化后的設(shè)計大大提高了后橋的強度和疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)梁后橋 有限元仿真 強度 疲勞壽命

前言

隨著CAE仿真技術(shù)越來越先進準確，有限元仿真廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計開發(fā)中。本文將應(yīng)用有限元技術(shù)對正在開發(fā)中的扭轉(zhuǎn)梁后橋進行強度和疲勞仿真分析，并基于仿真分析結(jié)果對該扭轉(zhuǎn)梁后橋進行優(yōu)化，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性和將來試驗提供有效的數(shù)據(jù)支持。該扭轉(zhuǎn)梁后橋總成由橫梁、側(cè)臂、彈簧支架、減震器支架、制動支架以及其他線束支架焊接而成。當左右車輪產(chǎn)生上下方向的相對運動時，因為扭轉(zhuǎn)梁有柔性，中間扭轉(zhuǎn)梁將發(fā)揮作用生成一個相反方向的扭矩。汽車在路面行駛時有各種復雜的路況，對于扭轉(zhuǎn)梁后橋通過總結(jié)有如下三種最典型的危險工況： 垂向沖擊工況、緊急制動工況、轉(zhuǎn)彎工況。這三種典型危險工況是汽車扭轉(zhuǎn)梁后橋在使用過程中受力最大的狀態(tài)，所以分析后橋的結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命也基于這三種工況下進行分析。本文利用Hypermesh建立扭轉(zhuǎn)梁后橋有限元模型，并應(yīng)用Abaqus進行分析對典型危險工況進行靜力學強度分析。因為該后橋正在開發(fā)設(shè)計中，所以很難獲取可靠的路譜作為疲勞壽命計算的輸入，所以本文采用單工況法應(yīng)用MSC.Nastran和Ncode.Designlife進行疲勞壽命預(yù)測，為該后橋的優(yōu)化設(shè)計以及將來的臺架試驗提供依據(jù)。

1.有限元模型的建立

1.1. 有限元網(wǎng)格及屬性建立

將CATIA 設(shè)計模型導入到Hypermesh里，對導入的模型要進行幾何清理，從幾何模型中抽取中面進行高質(zhì)量的網(wǎng)格模型。該后橋由等板厚的沖壓件焊接而成，所以可以采用殼單元進行零件網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)為5mm。為了確保仿真分析的準確性，需要對劃分的網(wǎng)格進行質(zhì)量檢查，修改不合格的網(wǎng)格，盡量減少三角形網(wǎng)格數(shù)量。為了提高計算精度，焊縫采用四邊形單元網(wǎng)格，并對關(guān)鍵區(qū)域進行網(wǎng)格細化處理。最終的扭轉(zhuǎn)梁后懸架總成的有限元模型如圖1所示，其中二維單元的四邊形單元（quad 4）有25640個，三角形單元（tria 3）有843個。

該扭力梁后橋零件材料屬性如表1所示。

1.2.力學分析

汽車在行使過程中，路面對車身的力將通過車輪和扭轉(zhuǎn)梁進行傳遞。本項目汽車滿載時的質(zhì)量為1510kg，作用在后軸上的載荷為755×9.8=7399N。汽車行駛過程中有很多工況，本文內(nèi)容將集中研究縱向力，垂向力，側(cè)向力最大時的三種典型危險工況。

1.2.1.汽車在行駛過程中越過不平路面時，比如車輪經(jīng)過較大的突起物或

者較深凹坑時，此時車輪受到很大的垂向沖擊力，動載系數(shù)為k=2。

1.2.2.車輪抱死，此時車輪受到最大縱向力FX。

1.2.3.輛在最小轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)彎并且此時車輪不發(fā)生側(cè)滑時，一側(cè)車輪抬離地面，不承擔簧載質(zhì)量而另一側(cè)車輪則完全承擔載荷，此時車輪會受到較大側(cè)向力FY的作用。

三種典型危險工況下輪胎接地點載荷如表2所示。

1.3.邊界約束條件及加載

扭轉(zhuǎn)梁后橋的邊界約束多，約束形式較為復雜，關(guān)鍵的約束點在與后橋與車身相連的地方，此處約束邊界條件的設(shè)定將會影響整個計算仿真的精確性。該扭轉(zhuǎn)梁后橋通過一個橡膠襯套與車身連接。襯套由外管橡膠和內(nèi)管硫化成為一體。在載荷作用下，內(nèi)管固定約束X、Y、Z 方向的平移自由度，內(nèi)管和扭力梁后橋之間用近視橡膠等同剛度連接。通過處理過后的載荷文件將等效計算載荷加載在車輪中心，彈簧下支點和減震器下支點，如圖2所示。

2.扭轉(zhuǎn)梁后橋強度校核

應(yīng)用多體動力學軟件ADAMS/Car可計算出各工況的靜態(tài)載荷，生成載荷數(shù)據(jù)文件作為扭力梁后橋結(jié)構(gòu)強度分析的輸入。通過計算后橋應(yīng)力結(jié)果與材料許用應(yīng)力可反映產(chǎn)品設(shè)計強度的可靠性。本文將應(yīng)用Abaqus軟件計算三種最惡劣工況下后橋的強度。

2.1.垂向沖擊工況

垂向工況下汽車右后輪抬起左后輪懸空，扭轉(zhuǎn)梁后橋受到很大垂向力。如圖3所示，在該工況下，減震器支架應(yīng)力最大達到345MPa，材料選用B510，材料屈服極限σs=355MPa，σmax<[σs]，滿足強度要求。

2.2.緊急制動工況

在該工況下，汽車受到最大縱向力。后橋的扭力梁和側(cè)壁連接處為最大應(yīng)力集中處，如圖4所示，應(yīng)力達到218MPa，材料選用B510，材料屈服極限σs=355MPa，σmax<[σs]，滿足強度要求。

2.3.轉(zhuǎn)彎工況

在該工況下，扭轉(zhuǎn)梁后橋受到較大側(cè)向力和垂向力。如圖5所示，彈簧支架處應(yīng)力最大值為67MPa，材料選用B510，材料屈服極限σs=355MPa，σmax<[σs]，滿足強度要求。

以上三種為對該扭力梁后橋影響最惡劣載荷工況下的應(yīng)力狀況。從上面分析結(jié)果來看，最大應(yīng)力小于材料屈服強度，都能滿足強度設(shè)計要求。

3.轉(zhuǎn)梁后橋疲勞壽命預(yù)測

汽車后橋疲勞通常有兩種。一種是較小應(yīng)力交變頻率較高的情況下所引起的疲勞，稱為應(yīng)力疲勞或者高周疲勞；另一種是在較高應(yīng)力（工作應(yīng)力接近于材料的屈服強度），應(yīng)力交變頻率低的情況下所引起的疲勞，稱為應(yīng)變疲勞或者低周疲勞。通常對于一個成熟汽車平臺，已經(jīng)有標桿車作為基礎(chǔ)，可以通過試驗方法取得該車在相應(yīng)道路的路譜作為疲勞壽命計算的輸入，或者根據(jù)中國汽車道路譜標準，通過軟件分析可模擬出道路譜。對于全新平臺車型開發(fā)時，通常在設(shè)計初期應(yīng)用單工況方法進行疲勞預(yù)測。本文應(yīng)用應(yīng)變壽命方法對后橋進行壽命分析，預(yù)測在垂向力工況下后橋疲勞狀況，并進行設(shè)計優(yōu)化。

3.1.材料的E-N 曲線

為了進行疲勞壽命估算就必須了解扭轉(zhuǎn)梁后橋材料疲勞性能。該后橋結(jié)構(gòu)最重要的幾個零件采用型號為B510L的鋼材料，從手冊和材料數(shù)據(jù)庫中可以找到其光滑試件的E-N曲線，然后對E-N 曲線采用Goodman方法進行應(yīng)力修正，得到扭轉(zhuǎn)梁后橋的材料E-N曲線，如圖6所示。

3.2.扭轉(zhuǎn)梁后橋疲勞仿真結(jié)果

本文研究在垂向力作用下該扭轉(zhuǎn)梁后橋疲勞壽命狀況。垂向施加的疲勞載荷為正弦波，載荷循環(huán)的周期應(yīng)力幅值為：下限載荷為-5KN，上限載荷為+3KN。通過MSC.Nastran求解器算出扭轉(zhuǎn)梁后橋在該靜態(tài)載荷下的應(yīng)力結(jié)果。將該應(yīng)力結(jié)果導入到Ncode.Designlife中，然后結(jié)合材料E-N曲線可以算出扭轉(zhuǎn)梁的疲勞分析預(yù)測結(jié)果。疲勞計算結(jié)果如圖7所示為588475次。

4.轉(zhuǎn)梁后橋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由前面強度分析和疲勞分析可見，雖然該扭轉(zhuǎn)梁后橋滿足結(jié)構(gòu)強度的要求，但該設(shè)計的疲勞結(jié)果為588475次，低于技術(shù)規(guī)范要求的10e6，存在較大風險。垂向力最大工況時，彈簧支架和減震器支架受較大垂向力。在該設(shè)計中，這兩個支架之間連接處非常薄弱，從仿真結(jié)果可以看出，在循環(huán)載荷作用下將會出現(xiàn)疲勞破壞，所以要強化該區(qū)域的連接。為強化該區(qū)域，應(yīng)盡量增加該處的材料連接和平滑過渡，所以將兩個支架進行一體化設(shè)計，如圖8所示。該設(shè)計強化了彈簧支座與減震器支架之間的薄弱區(qū)域，可提高在垂向力作用下的疲勞壽命。

為確認優(yōu)化效果，對優(yōu)化后的新設(shè)計進行再次強度計算和疲勞預(yù)測，強度計算結(jié)果比較如表3所示。從表3可見在緊急制動工況和垂向沖擊工況下扭轉(zhuǎn)梁后橋最大應(yīng)力值都減小，只有在轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力變大，但該應(yīng)力113MPa還遠小于該零件材料的屈服強度355MPa，新設(shè)計依然符合強度設(shè)計要求。

下面對新設(shè)計進行再次疲勞仿真分析，仿真的輸入條件和原先分析時的設(shè)置保持一致。該優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)梁后橋垂向力單工況疲勞仿真結(jié)果如圖9所示。

優(yōu)化后在垂向力循環(huán)作用下的疲勞仿真結(jié)果為1144480次，遠遠大于原來的設(shè)計588475次，同時也滿足該項目工程技術(shù)規(guī)范要求的10e6次。

5.結(jié)論

本文分析了三種典型危險工況下扭轉(zhuǎn)梁后橋的結(jié)構(gòu)強度，計算結(jié)果表明符合材料強度要求。另外應(yīng)用應(yīng)變疲勞分析方法對后橋進行疲勞仿真分析，并根據(jù)計算結(jié)果對后橋進行優(yōu)化，優(yōu)化后疲勞結(jié)果顯示壽命均在10e6次以上，符合后橋產(chǎn)品設(shè)計要求。該疲勞計算加載方式和載荷數(shù)據(jù)與實驗規(guī)范要求一致，為以后臺架試驗提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

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