基于橫向穩(wěn)定桿的新的疲勞分析方法研究

李洋　柴寶明　張建濤

摘 要：疲勞是汽車設計的重要指標，近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的疲勞設計正由無限疲勞壽命設計向著有限疲勞設計轉(zhuǎn)變，因此如何更加準確地對汽車疲勞壽命進行預測已經(jīng)成為當下迫切需要完善與不斷創(chuàng)新的問題，文章對傳統(tǒng)預測方法中存在的問題進行闡述，并應用一種新的疲勞分析方法對基于臺架試驗的汽車橫向穩(wěn)定桿壽命進行預測，并對其應用于汽車車身其他零部件以及基于道路鋪的疲勞分析的可行性進行說明。

關(guān)鍵詞：橫向穩(wěn)定桿；疲勞壽命預測；載荷；CAE

前言

近年來隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車產(chǎn)品的研發(fā)設計要求越來越嚴格。由于汽車在運動過程中主要承受動載荷，因此汽車零部件的破環(huán)形式一般都是疲勞破壞。針對此汽車零部件的疲勞壽命預測已變的尤為重要。橫向穩(wěn)定桿作為汽車的關(guān)鍵部件，具有防側(cè)傾，改善舒適與平順性的作用，文章對橫向穩(wěn)定桿的受力方式進行進一步探討，說明橫向穩(wěn)定桿在以臺架疲勞實驗為基礎進行兩邊對稱位移加載時兩邊受力的不對稱性，并通過abaqus有限元進行驗證。以此說明傳統(tǒng)疲勞計算方法中存在的問題，并以一種全新的計算方法進行疲勞計算，從而對其疲勞壽命進行準確預測。

1 橫向穩(wěn)定桿的受力分析

穩(wěn)定桿臺架試驗時按照位移加載，兩端約束x，y向自由度分別沿Z軸的正向與負向施加30mm位移并由此進行循環(huán)加載。此時由于穩(wěn)定桿兩端形變趨勢不同，造成兩端所受的力的大小與方向在空間上并不完全反向?qū)ΨQ，因此隨著加載過程的進行穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)彎處A，B與其對稱點A'，B'點的應力大小將變的不同。此情形將對之后進行的疲勞預測產(chǎn)生影響。

2 有限元模型驗證

在hypermesh中對穩(wěn)定桿劃分網(wǎng)格，在穩(wěn)定桿與副車架連接處建立襯套，襯套使用abaqus中CONN3D2單元模擬，襯套剛度賦經(jīng)驗值，網(wǎng)格基本尺寸為5×5mm，有限元模型如圖2所示。

約束穩(wěn)定桿兩端x，y向自由度，約束穩(wěn)定桿支架與副車架連接處全部自由度，在兩端沿Z向分別加載30mm位移。應力結(jié)果云圖如圖3所示。

3 穩(wěn)定桿疲勞計算

統(tǒng)計單元應力大小，通過材料SN曲線與循環(huán)次數(shù)計算疲勞，對應此次穩(wěn)定桿疲勞計算，使用ncode軟件進行疲勞分析，通常我們選取上面計算的應力結(jié)果，然后在軟件中進行對稱循環(huán)加載，即正弦波加載，根據(jù)公式1：

得到該載荷譜作用下單次循環(huán)過程中應力變化過程，再根據(jù)雨流計數(shù)法統(tǒng)計應力循環(huán)次數(shù)與幅值，通過miner法則與SN曲線得到單次循環(huán)損傷，其倒數(shù)便是各單元能夠循環(huán)幾次即各單元壽命，如圖4所示。

依據(jù)臺架實驗情況，針對本次穩(wěn)定桿計算所對應情形，由于實際加載時穩(wěn)定桿左右應力結(jié)果不對稱，在單次循環(huán)的上半段最大應力出現(xiàn)在A點，而下半段最大應力會出現(xiàn)在A'點。也就是說在單次循環(huán)中A點應力在上半段經(jīng)過0→？滓maxA→0的變化。在下半段由于A點最大應力減小，A點應力變化為0→？滓A→0。而若仍使用正玄波加在根據(jù)公式1，A點應力在Ncode中的變化過程為0→？滓maxA→0→？滓maxA→0與實際情形不符，若？滓maxA？垌？滓A則疲勞結(jié)果將會失效，穩(wěn)定桿疲勞由于存在大變形，兩側(cè)變形方式又不對稱，所以此次穩(wěn)定桿疲勞分析便屬于上述情形。

4 新的穩(wěn)定桿疲勞計算方法

針對上述情形，采用有限元法進行循環(huán)加在，在abaqus中完成單次循環(huán)并將單次循環(huán)應力變化過程輸出，使用hypermesh對模型進行前處理，在穩(wěn)定桿兩端分別加載30mm位移并使用amplitude曲線使位移進行0→30→0→-30→0的正弦循環(huán)amplitude曲線如圖5所示。

由此看出上半周循環(huán)時最大應力出現(xiàn)在右側(cè)而左側(cè)應力較小，下半周循環(huán)時最大應力出現(xiàn)在左側(cè)而右側(cè)應力較小。

使用Ncode，應用SN法計算疲勞，穩(wěn)定桿材料為42CrMo，UTS為1000MPa，本次疲勞計算不再使用正弦波加載，而是直接從有限元結(jié)果中提取應力循環(huán)結(jié)果，完成單次應力循環(huán)統(tǒng)計，有效的消除了由于正弦波加載的線性特性而無法統(tǒng)計真實循環(huán)時的非線性因素，單次循環(huán)損傷如圖8所示。

穩(wěn)定桿壽命為life=1/damage=41W次并且左右對稱。

穩(wěn)定桿壽命為life=1/damage=13W次，且圖上左側(cè)壽命遠大于右側(cè)，左右不對稱。

5 結(jié)束語

應用此種方法有效了消除了由于疲勞計算時對于應力線性變化的假設引起的疲勞失效誤差，對于基于載荷譜以及載荷分解進行的疲勞計算。由于零部件在多通道載荷下受力更加復雜，因此零件本身的應力循環(huán)存在更多的非線性因素，也可應用此方法將多軸載荷譜導入有限元模型進行求解，以此求出零件的應力變化過程消除線性假設的影響，在大變形零件中尤其適用。

參考文獻

[1]Ncode designlife theory 9.0[Z].