汽車支架結(jié)構(gòu)振動疲勞性能優(yōu)化研究

胡細(xì)東，袁江

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 張家界 427000）

汽車支架結(jié)構(gòu)振動疲勞性能優(yōu)化研究

胡細(xì)東，袁江

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 張家界 427000）

∶主要研究了汽車支架結(jié)構(gòu)的振動疲勞，探討了結(jié)構(gòu)振動疲勞分析原理，提出了汽車支架結(jié)構(gòu)分析流程，明確了支架結(jié)構(gòu)振動疲勞分析的關(guān)鍵要素，并且分享了提升支架疲勞性能的幾個原則。討論了輸入經(jīng)驗功率譜密度曲線不合適，導(dǎo)致前期評估不足，后面的道路試驗出現(xiàn)支架斷裂的問題。通過修正輸入的功率譜密度曲線，文章解決了評估不足的問題。此外通過提高結(jié)構(gòu)固有頻率，避開道路激勵載荷頻率，解決了文章中的支架振動疲勞開裂問題，順利通過驗證試驗。

∶支架；振動疲勞；功率譜密；固有頻率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.015

CLC NO.: U463.83Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-38-04

引言

車身上有多個支架，用于安裝各個部件，在車輛開發(fā)試驗過程中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)車身支架開裂失效的問題，有時甚至出現(xiàn)交付到市場車輛在特定的使用情況下也會出現(xiàn)支架斷裂失效。

在尋找支架結(jié)構(gòu)失效的原因時，常常發(fā)現(xiàn)支架在靜態(tài)常規(guī)工況下的應(yīng)力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的疲勞極限的，因此這些支架失效的原因不是因為靜態(tài)疲勞。此外，該支架在濫用工況的強(qiáng)度也是滿足性能要求的，說明支架失效的原因不是因為過大的載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效。在引起汽車支架失效的道路采集時域載荷譜，轉(zhuǎn)換成頻域載荷譜；通過實驗或CAE軟件測量或分析支架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，觀察輸入的頻率載荷譜和結(jié)構(gòu)固有頻率，可以發(fā)現(xiàn)，輸入載荷的頻率與結(jié)構(gòu)某一階或某幾階固有頻率一致或接近，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在某個輸入頻率下發(fā)生共振，從而產(chǎn)生了更大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，加速了結(jié)構(gòu)疲勞破壞。因此，這些支架失效的主要原因是振動疲勞破壞，必須用振動疲勞分析方法進(jìn)行研究。

汽車時刻都是在振動環(huán)境下工作，道路、發(fā)動機(jī)以及高速風(fēng)阻都是導(dǎo)致車輛振動的來源。可以通過一些手段降低傳遞到車身的結(jié)構(gòu)振動。比如隔震，動力總成與車身支架通過橡膠襯套或液壓懸置連接，底盤和車身連接通過橡膠襯套連接，冷卻模塊與車身通過橡膠襯套連接等等。比如減震，前后輪都會安裝減震器來衰減傳遞到車身上的Z向振動載荷，前面提到的橡膠襯套和液壓懸置也有一定的衰減振動載荷能量的功能。比如解耦，在車輛開發(fā)初期，就考慮車輛各系統(tǒng)以及與輸入載荷的解耦，避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

雖然在車輛開發(fā)時考慮了很多控制結(jié)構(gòu)振動的方法，但由于道路的復(fù)雜性以及車輛輕量化的要求，汽車上一些支架結(jié)構(gòu)在開發(fā)過程中出現(xiàn)振動疲勞失效的情況仍然很常見，必須研究滿足車輛輕量化要求的支架振動疲勞評估方法和分析標(biāo)準(zhǔn)。

1、結(jié)構(gòu)振動疲勞

1.1結(jié)構(gòu)振動疲勞的定義

在結(jié)構(gòu)疲勞破壞中包含這樣一類重要問題，即如果交變輸入載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的某一階和某幾階固有頻率一致或相接近時，結(jié)構(gòu)將會發(fā)生共振，這時一定的激勵將會產(chǎn)生更大的響應(yīng)，以致于結(jié)構(gòu)更加易于產(chǎn)生疲勞失效。

既然問題涉及到結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)，顯然需要利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)技術(shù)加以研究，從而可以揭示一些與結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有關(guān)的規(guī)律，這一問題稱為振動疲勞或動態(tài)疲勞問題。

迄今為止，有關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于振動疲勞的研究不多，有的文獻(xiàn)即使提到振動疲勞一詞，但并沒有明確振動疲勞的定義、破壞特點及其與靜態(tài)疲勞問題的區(qū)別，因而國內(nèi)外很多人士仍然沿用靜態(tài)疲勞技術(shù)處理振動疲勞問題。[1]

張阿舟指出，在20世紀(jì)60年代，S.H.Crandalpl首先將振動載荷作用下產(chǎn)生的具有不可逆且累積性的結(jié)構(gòu)損傷或破壞稱為振動疲勞，這一定義對傳統(tǒng)的疲勞方法，并沒有帶來顯著的改變也沒有涉及振動疲勞現(xiàn)象的動力學(xué)本質(zhì)。[2]

為了揭示結(jié)構(gòu)振動疲勞問題的動力學(xué)特性，姚起杭等根據(jù)大量的使用和試驗中結(jié)構(gòu)振動破壞現(xiàn)象提出以下的定義，振動疲勞是結(jié)構(gòu)所受動態(tài)交變載荷(如振動、沖擊、噪聲載荷等)的頻率分布與結(jié)構(gòu)固有頻率分布具有交集或相接近，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振所導(dǎo)致的疲勞破壞現(xiàn)象，也可以直接說成是結(jié)構(gòu)受到重復(fù)載荷作用激起結(jié)構(gòu)共振所導(dǎo)致的疲勞破壞。所以，只有結(jié)構(gòu)在共振帶寬內(nèi)或其附近受到激勵導(dǎo)致的共振破壞才屬于振動疲勞破壞，否則都屬于靜態(tài)疲勞問題。[1]

1.2結(jié)構(gòu)振動疲勞分析原理

影響結(jié)構(gòu)疲勞性能的三個要素是結(jié)構(gòu)特征、材料性能和載荷工況，在振動疲勞分析中它們主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)、材料SN曲線及輸入載荷功率譜密度。如果能輸入與實際狀況一致的三要素參數(shù)，并且采用可靠的疲勞壽命估算方法，就可以精確地評估結(jié)構(gòu)的振動疲勞性能。但目前的情況是，通常沒有條件滿足所有的分析參數(shù)與實際一致，只能盡可能接近真實狀況。

道路工程檔案是指在道路工程建設(shè)的活動中逐漸形成的具有保存價值的文字、圖片、表格、聲視頻及電子文件等各種形式上的道路工程歷史記錄。道路工程檔案建設(shè)也是對道路工程整體項目建設(shè)全過程的翔實記錄和真實記載。

傳遞函數(shù)是指零初始條件下線性系統(tǒng)響應(yīng)（即輸出）量的拉普拉斯變換（或Z變換）與激勵（即輸入）量的拉普拉斯變換之比。記作G(s)=Y(s)/U(s)，其中Y(s)、U(s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。傳遞函數(shù)是系統(tǒng)的物理參數(shù)，也就是它受結(jié)構(gòu)本身決定，不會隨著輸入而變化。實際分析過程中，建立有限元模型，分析結(jié)構(gòu)在一定頻率范圍內(nèi)單位加速度激勵載荷下的頻率響應(yīng)分析進(jìn)行研究。頻響分析通常有兩種分析方法，直接法頻響分析和模態(tài)法頻響分析，考慮到大模型的計算效率，通常用模態(tài)法頻響分析。有限元本身就是現(xiàn)實結(jié)構(gòu)的近似模型，另外考慮到連接、結(jié)構(gòu)特征、工藝、阻尼等影響，實際上建立與現(xiàn)實模型完全一致的有限元模型是不可能的，只能盡可能反映模型真實狀況，劉文華研究了不同結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動疲勞的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)阻尼參數(shù)設(shè)定對結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)影響顯著，從而對結(jié)構(gòu)疲勞性能影響顯著。[3]

材料的SN曲線是材料疲勞性能的主要體現(xiàn)，加載頻率對材料的疲勞性能有影響，因此，結(jié)構(gòu)振動疲勞SN曲線應(yīng)該在一定應(yīng)力跟蹤共振頻率發(fā)生共振破壞進(jìn)行試驗，而通常用的SN曲線都是非共振頻率試驗。史展飛研究了加載頻率對金屬高周疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展的影響，他發(fā)現(xiàn)加載頻率對不同材料的高周疲勞壽命的影響是不同的，此外加載頻率對壽命的影響反映到裂紋擴(kuò)展模型上也不統(tǒng)一，溫度、頻率、應(yīng)力比、強(qiáng)度因子范圍都對裂紋擴(kuò)展模型有影響。[4]由于對于振動疲勞的機(jī)理研究得還不是很清楚，目前尚沒有成熟的修正靜態(tài)SN曲線方法用于研究振動疲勞。由于條件所限，本文仍采用常規(guī)加載頻率獲得的SN曲線。

功率譜密度是一種概率統(tǒng)計方法，是對隨機(jī)變量均方值的量度，一般用于隨機(jī)振動分析，連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)只能通過概率分布函數(shù)進(jìn)行描述，即出現(xiàn)某水平響應(yīng)所對應(yīng)的概率。汽車行駛的道路載荷基本都是隨機(jī)動態(tài)載荷。功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動態(tài)載荷激勵下響應(yīng)的統(tǒng)計結(jié)果，是一條功率譜密度值—頻率值的關(guān)系曲線，其中功率譜密度可以是位移功率譜密度、速度功率譜密度、加速度功率譜密度、力功率譜密度等形式。數(shù)學(xué)上，功率譜密度值—頻率值的關(guān)系曲線下的面積就是均方值（E[x2(t)]），當(dāng)均值為0時均方值等于方差，即響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方值。在本文的分析中，由于前面頻響分析激勵載荷采用加速度信號，所以疲勞分析中也采用加速度功率譜密度。

疲勞壽命估算用疲勞累積損傷來評估，目前理論界和工程界廣泛接受的理論是Miner線性累積損傷理論，理論簡單，使用方便，并可以較好的預(yù)測疲勞壽命的均值。結(jié)構(gòu)壽命估算方法分為時域法和頻域法，本文采用頻域法，頻域法就是在頻域內(nèi)用響應(yīng)功率譜密度（PSD）的譜參數(shù)描述響應(yīng)應(yīng)力信息，然后根據(jù)材料的疲勞性能曲線和累積損傷理論估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命。道路載荷譜峰值通常是屬于寬度高斯隨機(jī)分布，因此在疲勞壽命估算是采用Dirlik雨流幅值分布模型，很多研究指出，Dirlik公式具有很高的精確性。[5]

2、汽車支架結(jié)構(gòu)振動疲勞分析

2.1支架結(jié)構(gòu)振動疲勞分析流程

首先根據(jù)物理模型建立汽車支架結(jié)構(gòu)的有限元模型，必須設(shè)置一定的結(jié)構(gòu)阻尼，施加單位加速度激勵載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)頻響分析，從而獲得單位載荷下的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)。通過道路加速度載荷譜轉(zhuǎn)換獲得加速度功率譜密度曲線，或者基于試驗標(biāo)準(zhǔn)輸入要求的加速度功率譜密度曲線。通過試驗、軟件估算或從材料庫獲得支架結(jié)構(gòu)上主要關(guān)心部件的SN曲線，輸入到疲勞分析軟件中，然后設(shè)置各種疲勞分析參數(shù)，進(jìn)行疲勞損傷分析，流程如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)振動疲勞分析流程圖

2.2提高支架結(jié)構(gòu)振動疲勞性能的方法

a）減輕振源強(qiáng)度，比如改善發(fā)動機(jī)性能，減輕發(fā)動機(jī)自身振動；優(yōu)化車身的外流場特性，降低汽車高速行駛時氣流擾動引起的振動。但是對于道路，一般無從控制和選擇，只能從其他途徑去控制結(jié)構(gòu)振動。

b）在傳遞路徑上降低振動在結(jié)構(gòu)上的傳遞，比如增加減震器、橡膠懸置等。

c）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制設(shè)計，比如額外增加阻尼，增加動力吸振器等；

d）更改結(jié)構(gòu)形式，提高結(jié)構(gòu)剛性，從而改善結(jié)構(gòu)抗疲勞能力。

3、某汽車支架疲勞性能分析及優(yōu)化

3.1某支架結(jié)構(gòu)振動疲勞性能分析

某車型在車輛開發(fā)過程中，一支架部件如圖2所示，在比利時石塊路上跑試驗時，跑到將近70%時出現(xiàn)支架斷裂。但是，之前也通過經(jīng)驗加速度功率譜密度曲線進(jìn)行過振動疲勞分析，發(fā)現(xiàn)損傷較小，可以滿足疲勞耐久性能要求。這說明之前分析的可靠性有問題，逐步檢查分析的CAE模型、材料的SN曲線及輸入的經(jīng)驗PSD載荷曲線。采集了道路載荷譜如圖3所示，可以將其轉(zhuǎn)化成道路PSD載荷譜。通過比較經(jīng)驗PSD載荷曲線和道路PSD載荷，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)所用的經(jīng)驗載荷，不能滿足耐久疲勞性能評價要求。

圖2　某汽車支架模型

圖3　采集的道路載荷譜

圖4　經(jīng)驗PSD曲線與道路PSD曲線對比

通過實際道路PSD曲線進(jìn)行分析，支架附近疲勞損傷為5.3，高于損傷不超過1的疲勞性能要求，發(fā)生開裂的風(fēng)險很大。

3.2某支架結(jié)構(gòu)振動疲勞性能分析

之前討論過，如何提高支架結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，但對于本文的模型來說，減振隔振方法成本太高，效果也不明顯，主要還是需要通過優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)來改善支架的抗疲勞性能。袁毅在論文中提過，道路不平度的激勵的頻率范圍在2～30Hz以內(nèi)。[6]從采集的一系列道路載荷譜也可以看出這一點，因此確定將支架結(jié)構(gòu)固有頻率優(yōu)化到40Hz以上，這樣就可以避免支架結(jié)構(gòu)在道路激勵下耦合從而產(chǎn)生共振，加速支架疲勞。

通過對支架在車身安裝點位置布置優(yōu)化及局部特征優(yōu)化，提升支架固有頻率到42.98Hz，支架結(jié)構(gòu)剛性大大增強(qiáng)，如圖5所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，通過道路PSD曲線分析支架損傷，支架附近的最大損傷為0.0034，滿足耐久性能要求。在后面的道路試驗過程中，該支架也不再出現(xiàn)開裂問題。

圖5　優(yōu)化后的支架固有頻率

4、結(jié)語

本文主要研究了車輛上支架的疲勞問題，車輛道路載荷和車輛很多部件的固有頻率有交錯，所以明確了在車輛上，很多支架部件疲勞屬于振動疲勞問題。

通過檢索相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)一步明確振動疲勞的定義，更加明確了汽車上的支架疲勞主要是共振疲勞。通過研究結(jié)構(gòu)振動疲勞分析原理，明確了在振動疲勞分析的主要影響因素，確定了結(jié)構(gòu)振動疲勞分析流程，并提出了改善支架抗疲勞性能的幾個原則。

針對某車型支架在道路試驗中疲勞失效，而在實際分析評估時，卻沒有及時發(fā)現(xiàn)問題。通過一系列的分析，發(fā)現(xiàn)過去評估的經(jīng)驗載荷曲線與實際道路曲線有巨大差距。當(dāng)換成實際道路載荷曲線，可以有效分析出該支架結(jié)構(gòu)的確損傷較大，有失效風(fēng)險。通過提高支架固有頻率，避開道路激勵載荷，提高了支架結(jié)構(gòu)剛性和抗疲勞性能，因此，此結(jié)構(gòu)最終可以順利通過道路試驗驗證。

[1] 姚起杭,姚軍. 工程結(jié)構(gòu)的振動疲勞問題.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報.2006(1): 12～16.

[2] 張阿舟,諸德超,姚起杭,等. 實用振動工程[M].北京:航空工業(yè)出版社,1997.

[3] 劉文華,夏湯忠,陸志成,等. 汽車?yán)戎Ъ苷駝悠诜治? 汽車科技,2012(9):26～29.

[4] 史展飛.結(jié)構(gòu)振動疲勞特性及其試驗方法研究:[學(xué)位論文] .西安,西北工業(yè)大學(xué),2009.

[5] 王明珠. 結(jié)構(gòu)振動疲勞壽命分析方法研究:[學(xué)位論文]. 南京,南京航空航天大學(xué),2009.

[6] 袁毅.基于應(yīng)力功率譜的結(jié)構(gòu)振動疲勞壽命預(yù)測方法研究:[學(xué)位論文] .長沙, 湖南大學(xué),2014.

Study on optimization of vibration fatigue performance of the vehicle bracket structure

Hu Xidong, Yuan Jiang
(Zhangjiajie Vocational and Technical College of Aeronautical Engineering, Hunan Zhangjiajie 427000)

In the paper, the vibration fatigue of the vehicle bracket structure was researched. The principle of the structure vibration fatigue analysis was discussed. The process of vehicle bracket structure analysis was presented. The critical factors of bracket fatigue analysis were definitely presented. And several principles of improving the bracket fatigue performance were enjoyed. due to the not appropriate input loading PSD curve, the bracket was not evaluated enough in the advanced stage and broke in the sequent road test. By modifying the input PSD curve, the insufficient evaluation problem was solved. In addition, by improving the structure natural frequency and avoiding the road excitation load frequency, the bracket vibration fatigue problem was solved, and the subsequent verification test was passed smoothly.

Bracket; Vibration fatigue; PSD; Natural frequency

∶U463.83

∶A

∶1671-7988(2016)09-38-04

胡細(xì)東 (1969-)，副教授，就職于張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。主要從事機(jī)械電子工程及高職教育教學(xué)研究。