疲勞損傷的尿素過渡支架優(yōu)化分析

申成振，栗林濤，段增旭，任歡，王健

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

1 過渡支架優(yōu)化過程概述

根據(jù)某商用車制造商在區(qū)域市場調研時的反饋：某批次有3輛份整車出現(xiàn)了尿素系統(tǒng)過渡支架的裂紋和斷裂失效。設計人員收集故障件信息并初步分析：該零件年使用量已超過15000件，近1年來的故障率PPM＜1600，而且是下半年比上半年要高；其失效模式為疲勞損傷（出現(xiàn)裂紋）以及由此產(chǎn)生的疲勞斷裂。分析和優(yōu)化過程如下：

首先復原故障件數(shù)模，擬定兩個結構局部優(yōu)化方案，并進行零件強度和疲勞壽命CAE仿真。然而，基于材料S-N曲線(名義應力法)對故障件的疲勞壽命仿真結果中，個別裂紋開裂點的數(shù)據(jù)（疲勞壽命）達到了無限壽命指標；這與故障件該處有疲勞裂紋萌發(fā)的事實相悖。

然后根據(jù)斷裂力學初始裂紋萌生和裂紋擴展原理，結合故障件疲勞損傷處的形貌察看，分析了CAE仿真的個別數(shù)據(jù)結果出現(xiàn)偏差的原因。同時分析出優(yōu)化方案一仍存在失效風險，優(yōu)化方案二提高了零件的表面質量,更契合優(yōu)化需求。最終明確了故障件的優(yōu)化措施。

2 故障件失效的初步分析

1）察看故障件

復原故障件的三維模型和裂紋開裂源位置如圖1所示，零件采用510L的熱軋型材沖壓工藝成形，其外形展開如圖2所示。復原數(shù)模將開裂源點1折彎處處理為“張開型”初始開裂裂紋。

故障件如圖3-圖6。在圖1所示的3個開裂源均出現(xiàn)裂紋；同時開裂源點1和點2可能會發(fā)展為斷裂。圖3所示故障件，用記號筆對點1和點2裂紋發(fā)展痕跡進行了標記；圖4中用戶采用補焊對裂紋和斷裂處進行了臨時處理。

圖1 復原故障件的模型

圖2 復原故障件的展開料

圖3 點1和點2裂紋圖示

圖4 點1裂紋和點2斷裂圖示

圖5 點1和點2斷裂圖示

圖6 點1和點3裂紋、點2斷裂圖示

2）故障件失效模式和失效機理的初步分析

察看故障件斷裂源表面開裂點2和點3的落料區(qū)域表面粗糙，可見明顯的加工刀痕；開裂點1區(qū)域加工表面粗糙，可見明顯的加工刀痕，同時折彎處沒有導裂槽。

初步分析故障件疲勞損傷的機理為：在外部交變應力作用下，故障件在裂紋開裂區(qū)域存在相對的應力集中；同時該處鈑金零件加工后表面粗糙，加工表面會伴有“張開”、“滑開”和“撕裂”型等微小開裂缺陷，從而誘啟了在開裂源的裂紋和裂紋發(fā)展；分析開裂點2區(qū)域的展開料，此處落料處過渡不圓滑，在粗糙的表面伴有相對的應力集中.更易疲勞損傷。

基于安裝空間結構限制和失效分析，進行結構局部優(yōu)化，提出兩個優(yōu)化方案（如圖8）。

圖7 零件裝配示意

圖8 故障件及優(yōu)化方案強度分析

3 零件的強度與疲勞壽命仿真分析

零件裝配關系示意如圖7所示。復原故障件、方案一和方案二的形式見圖8依次所示的三個數(shù)模，方案二相比方案一主要在開裂源點2處增加了翻邊工藝（如圖10所示）。分別進行了制動、轉彎和垂直三種工況的強度仿真，其中在整車垂直工況(6g加載)應力最大（如圖8所示），其疲勞壽命分析結果如圖9所示，最小疲勞周次依次為1.86×105、1.14×106和 3.35×106。

圖9 故障件及優(yōu)化方案疲勞壽命分析

圖10 方案二的軸側圖

數(shù)據(jù)結論為：強度均滿足設計要求；兩個優(yōu)化方案均達到疲勞無限壽命要求；故障件開裂源點1處疲勞壽命未滿足設計要求，點2和點3均達到無限壽命要求。基于輕量化考量，方案一是最佳優(yōu)化方案。

但數(shù)據(jù)偏差在于：故障件除落料表面粗糙外，其它外形尺寸均合格。按仿真數(shù)據(jù)結論，復原故障件的點2和點3疲勞壽命分析結果，故障件不應在此出現(xiàn)裂紋；有悖于此處有疲勞損傷的事實。

4 結合斷裂力學原理對優(yōu)化方案的再分析

以上疲勞壽命分析方法是基于材料的S-N曲線的名義應力法，該方法分析過程簡捷、常用，其分析結論具有應用指導價值。應力云圖的應力集中區(qū)域與所察看的故障件基本一致，印證了故障件失效機理分析的正確性。

結合斷裂力學的裂紋萌生和擴展原理，以及對故障件的察看，產(chǎn)生壽命偏差的原因是：名義應力法計算應力時忽略了小裂紋裂尖應力影響，也就是對故障件加工刀痕和表面缺陷的影響分析不足。

斷裂力學疲勞裂紋演化過程，如圖11所示[1]，該理論尤其適合故障件這種出現(xiàn)初始裂紋后，對于其剩余疲勞壽命的分析和計算（采用Paris或相關修正公式計算）。由于故障件主要是長裂紋和斷裂的疲勞損傷并存的，其開裂區(qū)域目測表面粗糙度大于 Ra25μm，可以推斷這個初始裂紋是從開裂區(qū)域表面萌生和發(fā)展而來的。

圖11 斷裂力學的疲勞裂紋演化過程分析

對于故障件所假設的初始裂紋(覆蓋0.1-0.5mm)[2]分析，其壽命評估計算有一定的不確定性，

且分析過程相對繁雜，需擬合帶表面缺陷的故障件的強度因子，并獲得初始裂紋缺陷,進而分析故障件剩余疲勞壽命[3]。

而本文故障件的優(yōu)化目標是：分析優(yōu)化措施是否有效和確認選哪一個優(yōu)化方案的問題。因此只需找出基于S-N曲線的名義應力法分析結果的偏差，再利用斷裂力學初始裂紋萌發(fā)和擴展原理來分析優(yōu)化方案有效性即可。初始裂紋假定為加工粗糙表面的缺陷，一方面解釋了名義應力法壽命計算偏差原因，而且可以指導分析優(yōu)化措施有效性。

方案一由于表面質量沒有實質性改善，故障件形貌說明該方案仍有失效風險；方案二提高了零件的表面質量,更契合優(yōu)化需求；同時結合文獻[4]對缺口形態(tài)規(guī)則性與裂紋擴展速度的結論分析:優(yōu)化方案帶翻邊（如圖10所示）,說明通過展開料的光滑過渡等優(yōu)化措施是有效的。

對于故障率提升，我們進行了這樣推測：故障件的加工模具和刀具的損耗，會使故障件開裂源區(qū)域表面缺陷增多，進而增加了裂紋的起裂機率，從而表現(xiàn)在故障件PPM值的變化上。如果推測是正確的，也印證了：表面質量對故障件的疲勞損傷影響是不容忽視的。

5 所確認的最終故障件優(yōu)化方案

結合CAE分析結果，以及斷裂力學關于初始裂紋萌生和裂紋擴展原理分析，確認方案二為最終優(yōu)化方案。優(yōu)化后的零件切換后，經(jīng)市場批量應用，一直未收到優(yōu)化后零件的故障反饋。

6 結論

1）采用基于S-N曲線和斷裂力學疲勞裂紋萌生和擴展理論，均可以計算零件疲勞壽命。對于產(chǎn)生裂紋且表面比較粗糙的故障件，采用前一種方法有時會在粗糙表面的開裂處產(chǎn)生分析偏差；采用后一種方法原理可以進行補充和完善，并制定和選擇合理的優(yōu)化措施。

2）對于鈑金材料的熱軋鋼板沖壓件，其疲勞損傷的故障件往往在疲勞開裂點附近存在表面刀痕的形貌，制定結構優(yōu)化措施時，需要考慮初始斷裂裂紋萌生的影響，如考慮展開料進行光滑過渡、增加翻邊工藝等優(yōu)化措施都是有效的。