橫拉桿載荷譜采集與疲勞仿真分析

朱雄 丁玲 王朝斌 吳旭

摘 要：本文以某型汽車多連桿懸架橫拉桿為模型進(jìn)行載荷譜時域歷程采集、靜強(qiáng)度校核、疲勞仿真分析。在橫拉桿上選擇合適位置粘貼應(yīng)變片，組全橋測量軸向應(yīng)變。在拉壓力試驗機(jī)上標(biāo)定出橫拉桿軸向受力與測點應(yīng)變之間的線性關(guān)系。根據(jù)可靠性試驗規(guī)范采集一個完整循環(huán)的橫拉桿載荷譜，為疲勞分析提供力信號輸入。建立橫拉桿有限元模型，對比實測應(yīng)變與仿真輸出對應(yīng)點應(yīng)變，修改驗證模型，保證有限元模型的準(zhǔn)確性。以實測載荷譜為輸入對橫拉桿進(jìn)行疲勞仿真分析，驗證橫拉桿是否滿足可靠性要求。

關(guān)鍵詞：橫拉桿；載荷譜；有限元；疲勞仿真

中圖分類號：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0064-03

Abstract： In this paper， the load spectrum time history acquisition， static strength checking and fatigue simulation analysis of a multi-link suspension rack rod are carried out. Strain gauges were pasted on the track rod to measure the axial strain. The linear relationship between the axial force of the track rod and the strain at the measuring point is determined on the tensile testing machine. According to the reliability test specification， a full cycle load spectrum of track rod is collected to provide force signal input for fatigue analysis. The finite element model of thetrack rod is established， the corresponding strain of the measured strain and the simulation are comparedto ensure the accuracy of the finite element model. Based on the measured load spectrum， the fatigue analysis is carried out to verify whether the track rod meets the durability requirements.

Key Words： track rod； load spectrum； finite element； fatigue simulation

1 前言

多連桿懸架橫拉桿在汽車行駛過程中將路面激勵傳遞到車身，長時間承受著交變載荷作用，可靠性需要得到充分驗證。本文通過應(yīng)變標(biāo)定測出橫拉桿實際受力的時域歷程，建立橫拉桿有限元模型并結(jié)合試驗驗證。以實測載荷譜為輸入進(jìn)行疲勞仿真分析，驗證橫拉桿是否滿足可靠性要

求。同時找出危險點，為設(shè)計開發(fā)及試驗工作提供參考。

2 橫拉桿載荷譜測量

2.1 應(yīng)變片粘貼及標(biāo)定

在橫拉桿上選擇合適位置打磨、粘貼應(yīng)變片，兩個十字雙向應(yīng)變片對稱粘貼在兩側(cè)，接線組成全橋。主應(yīng)力方向平行于橫拉桿軸向。應(yīng)變片粘貼位置見圖1：

制作合適的夾具，將橫拉桿固定在拉壓力試驗機(jī)上，見圖1。拉壓力試驗機(jī)輸出拉壓力和位移信號至數(shù)采系統(tǒng)，與橫拉桿上應(yīng)變信號時域同步采集。采樣率為100Hz。對橫拉桿進(jìn)行力與應(yīng)變的標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見圖2。將橫拉桿受力后測得的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為力信號。

2.2 耐久規(guī)范載荷譜采集

參考可靠性試驗規(guī)范采集一個完整循環(huán)的橫拉桿載荷譜。包含了1#綜合路、2#綜合路、一般公路、城市工況、高速工況、坡道、比利時路等7種路面類型。采集得到的橫拉桿信號實際為應(yīng)變信號，質(zhì)量較差，存在溫漂、毛刺等。需要對其去毛刺、去趨勢、濾波處理[1]，得到質(zhì)量較好的信號。以1#綜合路為例展示采集到的橫拉桿載荷譜，見圖3。從時域歷程中可以得出橫拉桿受力最大值為7230N。

3 橫拉桿有限元模型建立及驗證

3.1 有限元模型建立

根據(jù)橫拉桿三維數(shù)模建立有限元模型，采用實體網(wǎng)格。為了保證計算精度，結(jié)合橫拉桿實際尺寸，確定劃分網(wǎng)格單元尺寸為1mm。共有346565個單元、76075個節(jié)點。材料為Q235，屈服極限235MPa，抗拉壓強(qiáng)度為430MPa，在有限元模型中賦予材料屬性。有限元模型見圖4：

3.2 模型校核

有限元模型建立完成后需要對其進(jìn)行校核。按照橫拉桿的實際情況為模型設(shè)置約束和受力。取有限元模型上對應(yīng)實際應(yīng)變片粘貼位置的單元（ID號為81979），靜力分析輸出該單元的應(yīng)變信號。對比拉壓力試驗和靜力仿真試驗同一單元應(yīng)變信號，驗證模型是否有效，見表1。載荷譜信號中橫拉桿最大受力為7230N，所以只驗證13000N以內(nèi)的載荷。由表1可以得出仿真應(yīng)變信號與實測應(yīng)變信號很接近，驗證了模型的有效性。

4 橫拉桿靜力分析

4.1 單位力下應(yīng)力分布

以單位力1N為邊界條件進(jìn)行靜力分析，為疲勞仿真提供輸入。單位力下的應(yīng)力分布云圖見圖5：

4.2 靜強(qiáng)度分析

以最橫拉桿最大受力對橫拉桿進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。靜力仿真分析結(jié)果見圖6：

分析得出橫拉桿最大應(yīng)力出現(xiàn)在U形卡槽與圓桿連接處，見圖6。最大應(yīng)力為207Mpa，小于材料屈服極限235Mpa，靜強(qiáng)度滿足要求[3]。

5 疲勞仿真分析

對實車行駛試驗中測試的橫拉桿載荷譜進(jìn)行頻譜分析，確定其所受載荷頻率范圍為2-10 Hz。對橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到其一階固有頻率為109Hz，遠(yuǎn)大于受載頻率[2]。且橫拉桿的最大等效應(yīng)力低于材料屈服極限，故采用靜態(tài)有限元疲勞分析方法對橫拉桿進(jìn)行疲勞仿真計算。

對實際構(gòu)件進(jìn)行尺寸效應(yīng)、應(yīng)力集中、載荷形式、循環(huán)特征還有表面加工狀態(tài)等方面的修正。采用Goodman 方法修正平均應(yīng)力?；跈M拉桿材料的應(yīng)力—壽命曲線，在軟件輸入一個完整循環(huán)的載荷譜和單位力下應(yīng)力分布，仿真分析出橫拉桿的疲勞壽命。疲勞壽命云圖見圖7：

從圖中可以看出疲勞破壞最易發(fā)生的地方在U形卡槽與圓桿連接處，最小壽命為1787個循環(huán)?？煽啃栽囼炓还舶?33個循環(huán)，橫拉桿最小疲勞壽命為1787個循環(huán)。所以橫拉桿滿足可靠性要求。在可靠性試驗過程中橫拉桿未出現(xiàn)失效情況，也驗證了疲勞仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

根據(jù)對橫拉桿的有限元靜力學(xué)分析和疲勞壽命分析可以得出結(jié)論：橫拉桿壽命最薄弱的部分在U形卡槽與圓桿連接處，可以通過提高結(jié)構(gòu)表面精度和在設(shè)計上減小集中應(yīng)力的方法來改善這部分的疲勞損傷狀況。預(yù)測了危險點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就能找出疲勞壽命的薄弱位置，優(yōu)化設(shè)計方法。在可靠性試驗檢查維護(hù)時，可以重點針對疲勞薄弱部位增加檢查頻次，預(yù)防疲勞斷裂事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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