翼子板支架總成的疲勞強(qiáng)度與自由模態(tài)分析

張光磊 張光金 姜偉健

摘 要：采用有限元法，通過HyperMesh有限元分析軟件建立翼子板支架總成的有限元模型，對翼子板支架總成的靜態(tài)特性與自由模態(tài)進(jìn)行分析，得出了最大應(yīng)力、最大變形、位置分布以及翼子板支架總成的固有頻率及振型，并對其進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的校核，為翼子板支架總成的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論依據(jù)，也對動(dòng)力學(xué)的分析奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：有限元法；翼子板支架總成；疲勞強(qiáng)度；自由模態(tài)

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-103-03

Abstract： Using the finite element method. Through the Finite Element Analysis software HyperMesh to establish fender bracket assembly finite element model， the fender bracket assembly static and dynamic characteristic of the free modal analysis， maximum stress， maximum deformation and its distribution and fender bracket assembly of the inherent frequency and vibration type are obtained， and the fatigue strength of the check， for the front fender bracket assembly design provides valuable theoretical basis and also on the dynamics analysis of the foundation.

Keywords： Finite Element Method； Fender Bracket Assembly； Free Modal； Fatigue Strength

CLC NO.： U467 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-103-03

1 引言

振動(dòng)疲勞是構(gòu)件受到與自身固有頻率相近的動(dòng)載荷（如沖擊、振動(dòng)、噪聲、加速度載荷等）時(shí)，使構(gòu)件產(chǎn)生共振從而導(dǎo)致的疲勞破壞[1]。翼子板支架總成在重型汽車行駛過程中起到一定的防護(hù)作用，而行使過程中由于翼子板支架總成受到?jīng)_擊載荷，而引起翼子板支架總成的循環(huán)性彎曲變形及疲勞損傷，因此翼子板支架總成的可靠性和壽命對其靜、動(dòng)特性提出了很高的要求。而翼子板支架總成的靜、動(dòng)特性與其最大應(yīng)力分布、彎曲變形、固有頻率及振型密切相關(guān)。因此，如何準(zhǔn)確的得到最大應(yīng)力、最大變形及其位置分布以及翼子板支架總成的固有頻率及振型，對翼子板支架總成的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)性意義。

2 翼子板支架總成有限元模型的建立

翼子板支架總成有限元分析，安裝座材質(zhì)采用Q345C- GB/T1591，鋼管材質(zhì)采用345C-GB/T8163壓力容器用無縫鋼管，安裝座與管梁采用摩擦焊接，材料彈性模量206GPa，泊松比0.28，密度7.85e-9g/mm?，抗拉強(qiáng)度470-630MPa，屈服強(qiáng)度345MPa，延伸率22%。

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

翼子板支架總成的網(wǎng)格單元采用3D單元Tetra4，并對個(gè)別微小細(xì)節(jié)，如較小圓弧、倒角做特殊處理，將模型劃分成非常細(xì)密的單元網(wǎng)格，使得計(jì)算結(jié)果能達(dá)到足夠的精度。網(wǎng)格劃分完后共生成352166個(gè)單元，87680個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 翼子板支架總成載荷分析

擋泥板質(zhì)量為4.5Kg，質(zhì)心位置在汽車坐標(biāo)系以安裝座管梁為原點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，210，-100），燈支架質(zhì)量為4Kg，質(zhì)心位置在汽車坐標(biāo)系以安裝座管梁為原點(diǎn)的坐標(biāo)為（150，210，0），在分析過程中對翼子板支架總成3個(gè)螺栓孔簡化為剛體，約束其6個(gè)自由度，在管梁上施加±38g垂向沖擊加速度進(jìn)行分析計(jì)算。

2.3 翼子板支架總成變形分析

翼子板支架總成的變形如圖所示，最大變形為6.92mm，位于翼子板支架管梁的最前端，變形量滿足翼子板支架總成的剛度設(shè)計(jì)要求。

2.4 翼子板支架總成應(yīng)力分析

翼子板支架總成的等效應(yīng)力分布如圖所示，最大應(yīng)力位于翼子板支架下端定位孔與中間圓柱交界的圓弧處，其值為260.2MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度。

2.5 翼子板支架總成疲勞強(qiáng)度分析

在振動(dòng)疲勞分析中，將試驗(yàn)采集到的隨機(jī)載荷用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)出載荷幅值及循環(huán)次數(shù)，并通過Q345C材料的S-N曲線求解出翼子板支架總成的疲勞壽命。

2.5.1 Miner線性累計(jì)

對于振動(dòng)疲勞，一般采用Miner線性累計(jì)損傷計(jì)算累計(jì)損傷量。Miner線性累計(jì)理論認(rèn)為每一段的載荷循環(huán)都會(huì)產(chǎn)生一定的疲勞損傷量，Miner一般計(jì)算公式為：

式中，D為Miner系數(shù)，D=1時(shí)表示出現(xiàn)疲勞失效，ni為σi應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)，Ni為材料S-N曲線疲勞壽命， k為應(yīng)力水平等級。

2.5.2 S-N曲線

應(yīng)力-壽命曲線（S-N曲線）是在控制應(yīng)力的條件下，得到的破壞壽命與應(yīng)力幅值之間的關(guān)系曲線，該曲線適用于高周疲勞分析。為了準(zhǔn)確的分析疲勞壽命，采用成組法對尾燈支架的本體材料Q345C進(jìn)行S-N曲線測定，對實(shí)驗(yàn)獲取原始測點(diǎn)的應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行對數(shù)坐標(biāo)下的曲線擬合，S和N之間表現(xiàn)出線性關(guān)系，一般可用一段或兩端理想的直線表示，如圖2所示。

式中，S為名義應(yīng)力，Nf為疲勞破壞周期，b1為第一疲勞強(qiáng)度指數(shù)，S1為疲勞強(qiáng)度系數(shù)[2]。

經(jīng)疲勞軟件Fatigue5.0分析，翼子板支架總成的疲勞斷裂區(qū)在翼子板支架與管梁的接口處，疲勞周次為9.36e+5次，焊接方式采用摩擦焊，其接頭質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、一致性好，且焊接接頭性能可達(dá)到母材的水平，工藝穩(wěn)定可靠，故能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 自由模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定構(gòu)件的振動(dòng)特性固有頻率和振型，是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與振型的理論研究中，有限元的應(yīng)用較廣，但對有限元模型的精度要求較高。本文利用模態(tài)振型相關(guān)性理論，對模態(tài)及振型進(jìn)行相關(guān)性分析。[3]汽車在行使過程中路面對車架產(chǎn)生沖擊載荷，間接傳遞給翼子板支架總成，引起強(qiáng)烈的共振，動(dòng)應(yīng)力急劇增加，致使翼子板支架總成出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞破壞，因此要對翼子板支架總成進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，而自由模態(tài)分析對動(dòng)態(tài)特性分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析有直接關(guān)聯(lián)，故分析翼子板支架總成的自由模態(tài)的頻率及其振型。

4 結(jié)論

4.1 通過建立翼子板支架總成有限元模型

分析其靜態(tài)特性，得出了最大應(yīng)力位于翼子板支架座下端定位孔與中間圓柱交界的圓弧處，最大變形位于翼子板支架管梁的最前端，在應(yīng)力分析及應(yīng)變分析的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了翼子板支架總成的疲勞強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 通過對翼子板支架總成自由模態(tài)分析

得到了在自由狀態(tài)下前六階的固有頻率及振型，并汽車與實(shí)際行駛過程中的頻率相比，得出翼子板支架總成發(fā)生共振的可能性。

4.3 通過對翼子板支架總成疲勞強(qiáng)度和自由模態(tài)分析

為翼子板支架總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚起杭，姚軍.工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞問題[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，2006， 23（1）：12-15.

[2] 張光磊，張光金，姜偉健，等.重型汽車尾燈支架振動(dòng)疲勞壽命的有限元優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車實(shí)用技術(shù)， 2017（5）：91-93.

[3] 朱茂桃，何志剛，徐凌，等.車身模態(tài)分析與振型相關(guān)性研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004， 35（03）：13-15.