基于CAE的某前副車架前懸置支架開裂分析

鮑金秋 翁盛鋒

（寧波匯眾汽車車橋制造有限公司）

汽車副車架是支承前后車橋和懸掛的支架，使車橋和懸掛通過它再與車身相連。發(fā)動機(jī)前懸置支架是連接發(fā)動機(jī)總成前端與前副車架的重要零件，如果使用過程中發(fā)動機(jī)前懸置支架發(fā)生斷裂或失效等情況，將會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果；因此在設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)前懸置支架時(shí)，重要的設(shè)計(jì)要求就是保證其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞耐久性[1-2]。某車型在前副車架總成設(shè)計(jì)開發(fā)驗(yàn)證階段中，多批次前副車架前懸置支架疲勞臺架試驗(yàn)結(jié)果未通過相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致開發(fā)進(jìn)度滯后，影響交付進(jìn)程。文章利用CAE分析軟件，模擬計(jì)算相應(yīng)工況下前副車架前懸置支架強(qiáng)度及疲勞壽命，通過分析應(yīng)力分布和疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)來改進(jìn)焊縫布置和焊接工藝，達(dá)到了顯著提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命的目的，順利通過了臺架疲勞試驗(yàn)，節(jié)省了時(shí)間和成本，規(guī)避了拖延項(xiàng)目進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)。

1 nCode DesignLife疲勞分析理論基礎(chǔ)

疲勞失效是結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)常見原因，經(jīng)常受到周期性載荷作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其局部的應(yīng)力集中極易引發(fā)裂紋的萌生并形成早期損傷，伴隨著裂紋的擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度也將不斷劣化，最終導(dǎo)致突發(fā)性災(zāi)難事故[3]。某車型副車架總成中，發(fā)動機(jī)前懸置支架在臺架試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力比材料極限強(qiáng)度低，而載荷的循環(huán)次數(shù)很高（如104～109次），屬于高周疲勞[4]。nCode DesignLife應(yīng)力疲勞求解器使用名義應(yīng)力法，根據(jù)材料的疲勞應(yīng)力與疲勞壽命曲線（S-N曲線）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行高周疲勞仿真分析[5]，分析需要掌握結(jié)構(gòu)所承受的循環(huán)載荷、結(jié)構(gòu)的幾何（先期通過有限元分析軟件得到的諸如結(jié)構(gòu)應(yīng)力等結(jié)果文件）及結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能3個(gè)主要信息。

1.1 載荷

DesignLife應(yīng)力疲勞求解器支持時(shí)間序列載荷、時(shí)間步載荷及常幅載荷等不同載荷方式輸入，在時(shí)間序列載荷中，載荷譜與有限元中的應(yīng)力結(jié)果組合方式，如式（1）所示。

式中：σij（t）——以時(shí)間為變量的應(yīng)力張量，Pa；

Pk（t）——輸入的載荷譜，N；

Scale Factork——載荷譜縮放因子；

Offsetk——載荷譜偏移量，N；

σij,k,static——靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果中的應(yīng)力，Pa；

Dividerk——?dú)w一系數(shù)，N；

k——不同載荷步數(shù)。

1.2 有限元分析結(jié)果

DesignLife 能 與 NASTRAN，ABAQUS，ANSYS，I-DEAS，MEDIA，HyperMesh及 LS-DYNA等典型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件交換數(shù)據(jù)，支持靜態(tài)、瞬態(tài)動力（模態(tài)疊加法和完全法）及頻域響應(yīng)等多種有限元結(jié)果，性能完善。

1.3 材料的疲勞性能

DesignLife自帶大量的材料數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線可以被直接調(diào)用。對于未包含在數(shù)據(jù)庫中的材料，可以利用材料抗拉極限值和疲勞壽命取對數(shù)后的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值預(yù)估材料標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線[6]。通過對標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線進(jìn)行表面處理方法、應(yīng)力組合方法、平均應(yīng)力修正方法、多軸評估方法及應(yīng)力梯度修正方法等參數(shù)的設(shè)定，獲得符合工程實(shí)際的真實(shí)S-N疲勞曲線，用以進(jìn)行疲勞分析。

2 工程案例介紹

某新車型前副車架總成設(shè)計(jì)驗(yàn)證（Design Verification簡稱DV）階段初始結(jié)構(gòu)，如圖1所示；前懸置支架及前懸置支架加強(qiáng)板與前橫梁連接焊縫布置，如圖2所示。DV階段前懸置支架臺架試驗(yàn)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)（如圖3所示）為：X向加載，F(xiàn)X=-4～3.3 kN，循環(huán)50萬次；頻率：（3±2）Hz；50萬次內(nèi)支架本體開裂不超過10 mm，焊縫開裂不超過焊縫總長度的20%，且焊縫開裂長度小于20 mm；繼續(xù)試驗(yàn)直到發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展性（如快速或始終擴(kuò)展）；零件進(jìn)行150萬次試驗(yàn)后無裂紋，停止試驗(yàn)。多批次試驗(yàn)結(jié)果顯示，在目標(biāo)疲勞壽命到達(dá)前，前懸置支架以及前懸置支架加強(qiáng)板與前橫梁連接的焊縫附近本體發(fā)生結(jié)構(gòu)開裂，疲勞裂紋沿焊縫邊界擴(kuò)展，不滿足相關(guān)副車架總成臺架試驗(yàn)規(guī)范要求。此時(shí)前懸置支架和前懸置支架加強(qiáng)板沖壓模具成型模具已開，出于成本考慮，對于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案有一定限制。試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

圖1 前副車架總成模型圖

圖2 前懸置支架及前懸置支架加強(qiáng)板與前橫梁連接焊縫布置圖

圖3 前懸置支架試驗(yàn)裝置圖

表1 前副車架前懸置支架臺架試驗(yàn)結(jié)果

3 靜力學(xué)與疲勞仿真

3.1 靜力學(xué)有限元分析

3.1.1 模型簡化與網(wǎng)格劃分

前副車架總成為沖壓焊接結(jié)構(gòu)，臺架試驗(yàn)中約束前副車架4個(gè)連接套管，在前懸置支架螺栓硬點(diǎn)處施加相應(yīng)載荷。將結(jié)構(gòu)CATIA模型導(dǎo)入HyperMesh軟件進(jìn)行幾何處理，去除小圓角及不重要小孔，取中面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以一維剛性單元模擬前懸置支架與發(fā)動機(jī)連接螺栓，同時(shí)創(chuàng)建一維耦合剛性單元，分別連接4個(gè)連接套管及對應(yīng)參考點(diǎn)。最終網(wǎng)格為平均5 mm左右的線性減縮積分殼單元，殼單元厚度取實(shí)際零件板材厚度。有限元模型，如圖4所示。

圖4 前副車架總成有限元模型圖

3.1.2 確定材料參數(shù)

零件材料除前橫梁采用SPPS42外，其余沖壓件均采用QStE420TM，材料相關(guān)性能，如表2所示。

表2 零件材料性能相關(guān)參數(shù)表

3.1.3 設(shè)定載荷與約束

根據(jù)前懸置支架疲勞臺架試驗(yàn)規(guī)范要求，完全固定前副車架4個(gè)連接套管的6個(gè)自由度，在連接螺栓處施加X向循環(huán)載荷。因此，在靜力分析有限元模型中約束連接套管參考點(diǎn)的6個(gè)自由度，在螺栓參考點(diǎn)處載荷取試驗(yàn)所加循環(huán)載荷的最大值，即沿全車坐標(biāo)系X軸負(fù)向4 kN集中力。

3.1.4 靜力分析結(jié)果

在HyperMesh軟件中，對模型前處理完畢輸出.inp格式的計(jì)算模型，用ABAQUS求解器做靜力分析計(jì)算，后處理采用HyperView軟件顯示前懸置支架附近的應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 前懸置支架附近應(yīng)力云圖

由圖5可知，各零件的最大應(yīng)力（119.8 MPa）均未超出材料屈服強(qiáng)度（見表2），說明零件滿足該試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度要求。不足之處是臺架試驗(yàn)開裂位置存在明顯的應(yīng)力集中。

3.2 疲勞分析

將得到的有限元靜力學(xué)結(jié)果直接導(dǎo)入Ncode DesignLife疲勞仿真軟件，用有限元后處理得到的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來確定殼單元模型疲勞壽命。載荷譜直接由Ncode DesignLife中Input模塊的Time Series Generator生成，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，設(shè)置頻率為5 Hz正弦周期載荷。由于載荷譜與靜力學(xué)結(jié)果是相乘的關(guān)系，這里正弦載荷幅值取0.912 5，中值取-0.087 5，以使載荷譜與實(shí)際加載完全一致。由于本模型屬于高周疲勞，故選擇S-N疲勞分析引擎；由于軟件自帶數(shù)據(jù)庫中不含本案例中零件所用材料，故采用在疲勞軟件中直接輸入材料的強(qiáng)度極限、屈服極限及泊松比等參數(shù)，利用軟件自動計(jì)算擬合的方法得到原始S-N曲線，如圖6所示。對S-N曲線進(jìn)行修正，設(shè)定表面系數(shù)、應(yīng)力組合方法、平均應(yīng)力修正、多軸評估及應(yīng)力梯度等修正參數(shù)并提交求解。

圖6 前副車架相關(guān)材料原始S-N曲線

分析后得到的疲勞壽命云圖，如圖7所示。從圖7可以看出，前橫梁各開裂點(diǎn)壽命為32.2萬～70.1萬次，壽命為32.2萬次的區(qū)域在實(shí)際結(jié)構(gòu)中為2段焊縫相接點(diǎn)，該處橫截面積較分析模型中橫截面積大，故應(yīng)力和應(yīng)力集中程度較分析中要小，分析結(jié)果偏于保守，且試驗(yàn)中并未發(fā)生開裂?？傊?，疲勞分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常相近，說明計(jì)算結(jié)果可信。前橫梁及前懸置支架加強(qiáng)板疲勞壽命分析結(jié)果不滿足試驗(yàn)規(guī)范要求。

圖7 前懸置支架附近疲勞壽命云圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)方案

影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素包括應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)尺寸、表面狀況及載荷狀況等。提高零部件疲勞強(qiáng)度的措施可考慮合理選材，以達(dá)到強(qiáng)度、塑性及韌性間的最佳配合，也可考慮改進(jìn)結(jié)構(gòu)和工藝、表面強(qiáng)化以及表面防護(hù)等措施。根據(jù)分析結(jié)果，重點(diǎn)降低焊縫起/收弧處的應(yīng)力集中，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并考慮到已開模具和工程造價(jià)等實(shí)際限制，提出改進(jìn)方案，示意圖，如圖8所示。取消前懸置支架加強(qiáng)板與橫梁焊縫兩端圓弧段焊縫，前懸置支架與橫梁間焊縫根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝更改，改變焊接電流大小和焊接速度，并在焊縫起/收弧處增加適當(dāng)?shù)囊龊缚p。改進(jìn)后實(shí)物，如圖9所示。

圖8 前懸置支架焊接改進(jìn)方案示意圖

圖9 改進(jìn)后前懸置支架焊接實(shí)物圖

4.2 計(jì)算分析及疲勞臺架結(jié)果

建立改進(jìn)方案的有限元模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)及疲勞分析，結(jié)果如圖10和圖11所示。由圖10可以看出，前懸置支架加強(qiáng)板與橫梁焊縫周圍應(yīng)力明顯下降，應(yīng)力集中水平顯著改善，疲勞壽命分析結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于臺架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于簡化的分析模型不能體現(xiàn)工藝上的更改優(yōu)化，對于前懸置支架與橫梁焊接結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果僅表明焊縫附近應(yīng)力基本不受焊縫縮短的影響，其疲勞壽命的提升不能在分析結(jié)果中得以明顯體現(xiàn)。經(jīng)過多批次樣件試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)在150萬次臺架試驗(yàn)后未出現(xiàn)任何開裂現(xiàn)象，完全滿足該項(xiàng)目疲勞臺架標(biāo)準(zhǔn)要求，表明改進(jìn)方案有效，且更改成本極低。

圖10 改進(jìn)方案前懸置支架附近應(yīng)力云圖

圖11 改進(jìn)方案前懸置支架附近壽命云圖

5 結(jié)論

1）靜力學(xué)及疲勞分析表明：原結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，但不滿足疲勞耐久要求。

2）改進(jìn)后結(jié)構(gòu)滿足疲勞壽命目標(biāo)要求，順利通過實(shí)際疲勞耐久測試。表明通過合理布置焊縫以及優(yōu)化焊接參數(shù)可以有效地改善結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。

3）本靜力學(xué)及疲勞分析結(jié)果不能體現(xiàn)焊縫焊接工藝的改進(jìn)影響，如焊接電流大小、焊接速度及起/收弧處適當(dāng)引出等。

4）靜力學(xué)及疲勞仿真結(jié)果能預(yù)測危險(xiǎn)斷裂位置和疲勞壽命，快速響應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對疲勞壽命的影響，給出產(chǎn)品改進(jìn)和優(yōu)化的方向。

5）利用CAE仿真計(jì)算技術(shù)，輔助發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題，并計(jì)算校核改進(jìn)方案的可行性，能有效縮短開發(fā)周期和減少開發(fā)成本。