重型卡車焊接類懸臂支架疲勞失效研究

岳冬冬，張攀，劉治興，李賀，吳海，劉維棟

重型卡車焊接類懸臂支架疲勞失效研究

岳冬冬，張攀，劉治興，李賀，吳海，劉維棟

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710220）

焊接類懸臂支架為重型卡車中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，要求在重型卡車的整個(gè)生命周期內(nèi)應(yīng)完好無(wú)損。近年來(lái)，在重型卡車生命周期內(nèi),焊接類懸臂支架發(fā)生多起支架斷裂失效情況，導(dǎo)致重型卡車運(yùn)行存在重大安全隱患。文章以重型卡車翼子板支架為典型案例，分析其發(fā)生斷裂的失效原因，得出焊接類懸臂支架發(fā)生損壞的根本原因?yàn)楹附訜嵊绊戇^(guò)大，導(dǎo)致在隨機(jī)應(yīng)力下支架在熱影響區(qū)域內(nèi)的疲勞損壞。通過(guò)疲勞壽命預(yù)測(cè)理論分析，模擬仿真實(shí)現(xiàn)故障再現(xiàn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提升支架疲勞周次，從而提出焊接類懸臂支架提升疲勞壽命的一般方法。

焊接類懸臂支架；斷裂失效；失效分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

隨著全球各個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)穩(wěn)步提升，重型卡車已成為建設(shè)項(xiàng)目中的重要工具，為保證項(xiàng)目按期完成，要求車輛有較高的出勤率。由于車輛運(yùn)行工況復(fù)雜，各零部件經(jīng)常受到強(qiáng)烈的多重載荷的作用，容易發(fā)生疲勞破壞。尤其是焊接類懸臂支架出現(xiàn)斷裂的情況較多，影響車輛出勤率。

1 典型零部件失效分析

以翼子板前支架總成為例，發(fā)現(xiàn)部分車輛翼子板前支架總成在形式一段里程時(shí)開始出現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖1），隨著行駛里程不斷增加，車輛翼子板前支架總成裂紋擴(kuò)展直至斷裂。

1.1 零部件斷裂口觀察

經(jīng)對(duì)裂紋位置對(duì)比分析，裂紋首先出現(xiàn)在翼子板支架與安裝板焊縫邊緣位置，并逐步沿著焊縫向兩端延伸，直至翼子板前支架總成斷裂。

圖1 翼子板前支架出現(xiàn)裂紋

翼子板支架斷裂口在初始產(chǎn)生裂紋表面開始出現(xiàn)向內(nèi)出現(xiàn)條狀的光滑面，并逐步呈放射形擴(kuò)散，最終在零部件兩頭部位形成比較粗糙斷裂口。

為交變應(yīng)力下疲勞損傷的典型特征，見(jiàn)圖2。

圖2 零部件斷裂口

1.2 材料理化性能分析

圓管的材料和安裝板支架的材料一致。經(jīng)理化分析，圓管和折彎件的材料各個(gè)成分的含量百分比基本一致，且符合設(shè)計(jì)要求。

1.3 設(shè)計(jì)圖紙及要求檢查

翼子板支架采用圓管型材，通過(guò)4個(gè)點(diǎn)控制支架的折彎位置，成型工藝較好。

安裝板采用鋼板折彎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成型工藝較好。

翼子板支架總成將翼子板支架與安裝座進(jìn)行焊接連接，并通過(guò)三角加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)，焊接操作空間大，焊接作業(yè)難度小。

1.4 零部件結(jié)構(gòu)及受力分析

翼子板前支架通過(guò)螺栓及鈑金夾片，將翼子板本體上端固定在翼子板前支架上，并通過(guò)螺栓與駕駛室后懸安裝座固定在一起，裝配關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 翼子板前支架裝配關(guān)系

前翼子板支架總成通過(guò)駕駛室后懸架安裝座固定在重型卡車車架上，在車輛運(yùn)行過(guò)程中影響其可靠性的因素可分為三大類：

第一類為車輛自身抖動(dòng)激勵(lì)，如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行抖動(dòng)、傳動(dòng)軸回轉(zhuǎn)抖動(dòng)和輪胎運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)等。

第二類為車輛運(yùn)行時(shí)路面激勵(lì)，如石塊路、卵石路、搓板路、魚鱗坑路等。

第三類為車輛在運(yùn)行過(guò)程中的加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等因素。

綜合分析，翼子板前支架其受力為XYZ三個(gè)方向受力疊加，經(jīng)常受交變應(yīng)力影響，根據(jù)翼子板前支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其為Y向懸臂結(jié)構(gòu)，因此X向和Z向受力對(duì)翼子板前支架總成可靠性影響較大，受力影響分析見(jiàn)圖4。

圖4 翼子板前支架受力分析

1.5 斷裂失效原因初判

通過(guò)零部件結(jié)構(gòu)及受力分析可知，翼子板前支架主要受車輛自身抖動(dòng)、路面激勵(lì)及運(yùn)行過(guò)程三項(xiàng)因素疊加影響其可靠性，屬交變應(yīng)力。

因此，綜合翼子板前支架總成斷裂特征及受力分析，翼子板支架斷裂的原因可初步推斷為，在交變應(yīng)力下的疲勞斷裂。

2 仿真缺陷再現(xiàn)

2.1 疲勞壽命預(yù)測(cè)理論

S-N曲線就是通過(guò)疲勞壽命和應(yīng)力幅值表達(dá)的曲線，根據(jù)已有的應(yīng)力幅值得出疲勞壽命的方法。這里的 S指的是交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值，N為結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，反映材料的疲勞性能。兩者的關(guān)系可用下式表達(dá)：

式中：

N——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

σrN——循環(huán)特性為r、對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)為N的疲勞極限；

m、C——試驗(yàn)常數(shù)。

其對(duì)數(shù)表達(dá)形式為：

（1）（2）式中，m和C通常推薦取3。

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，各零部件工作應(yīng)力幅值是變化的。疲勞累積損傷理論認(rèn)為結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下的疲勞損傷為一個(gè)累積過(guò)程，即交變應(yīng)力在其每一個(gè)循環(huán)內(nèi)，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成一定程度的疲勞損傷，使得其疲勞壽命耗損一部分，而整個(gè)交變應(yīng)力作用的過(guò)程就是各部分耗損的總和。具體計(jì)算方法如下：

假設(shè)結(jié)構(gòu)在其壽命時(shí)間T內(nèi)有σ1~σk共k級(jí)交變應(yīng)力作用，他們對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的次數(shù)分別為n1~nk。根據(jù)各個(gè)交變應(yīng)力幅值，選擇對(duì)應(yīng)的S-N曲線，可以得出對(duì)應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)N1~Nk，我們定義交變應(yīng)力σi對(duì)疲勞壽命的損傷系數(shù)為ni/Ni。根據(jù)累積損傷原理線性疊加的原理，在k級(jí)交變應(yīng)力下的累積疲勞損傷為：

式中：

D——結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞時(shí)總損傷量；

Di——在第i級(jí)應(yīng)力范圍σi的損傷分量。

當(dāng)D=1時(shí)發(fā)生疲勞破壞。

2.2 仿真分析準(zhǔn)備

實(shí)地調(diào)研車輛運(yùn)行工況如下：

車輛使用情況：車輛平均日行駛500km左右，司機(jī)采用2班輪班制。

常用車速：25-35km/h。

最高車速：50km/h。

路況信息：主要為鋪裝路面，部分為非鋪裝路面，路基較軟，無(wú)搓板路面，部分路段存在坑洼，路況圖片具體見(jiàn)圖5：

圖5 車輛運(yùn)行工況

2.2 仿真分析軟件及前處理

分析過(guò)程中使用的軟件為：HyperMesh、OptiStruct、Femfat及HyperView。

圖6 翼子板前支架網(wǎng)格及約束

用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格前期處理，薄板件采用2D單元網(wǎng)格，焊縫采用bar單元，通過(guò)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)連接。約束翼子板支架總成安裝孔位的全自由度，網(wǎng)格劃分及連接見(jiàn)圖6。

2.3 仿真工況

經(jīng)分析，對(duì)翼子板支架疲勞壽命影響最大的因?yàn)槁访婕?lì)。因此對(duì)翼子板支架總成的疲勞分析模擬分析，加載工況如下：

根據(jù)車輛運(yùn)行工況，采用在仿真分析時(shí)采用D級(jí)道路和E級(jí)道路聯(lián)合分析。

按經(jīng)驗(yàn)，D級(jí)路況對(duì)應(yīng)的為土石路面，E級(jí)路況對(duì)應(yīng)的為無(wú)路基坑洼路面，仿真選用的路面稍惡劣于車輛實(shí)際運(yùn)行工況。

2.4 仿真結(jié)果及失效評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)仿真分析，翼子板前支架風(fēng)險(xiǎn)位置與實(shí)際開裂位置一致，主要集中在翼子板支架與安裝板焊接部位，達(dá)到了缺陷再現(xiàn)目的，見(jiàn)圖7。

其中，翼子板的風(fēng)險(xiǎn)位置的最大應(yīng)力為遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，且疲勞周次遠(yuǎn)超于設(shè)計(jì)要求，但翼子板前支架總成還是在應(yīng)力薄弱點(diǎn)發(fā)生破壞。

因此，確定翼子板前支架總成發(fā)生破壞的原因?yàn)樵陔S機(jī)應(yīng)力下，翼子板前支架總成焊接熱影響區(qū)域內(nèi)的疲勞損壞。

圖7 翼子板前支架總成疲勞仿真

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

3.1 疲勞壽命提升方法

根據(jù)翼子板支架的分析結(jié)及提升疲勞的措施，制定了提升材料抗拉強(qiáng)度和優(yōu)化焊縫布置，減少垂直于受力方向的熱影響區(qū)布置的兩個(gè)基本提升措施。

更改翼子板安裝座材料，屈服強(qiáng)度提升至270MPa。

優(yōu)化焊縫布置，采用斷續(xù)焊，減少應(yīng)力集中區(qū)域熱影響區(qū)對(duì)材料力學(xué)性能指標(biāo)衰減。

圖8 翼子板前支架總成改前改后結(jié)構(gòu)對(duì)比

翼子板支架總成改前和改后結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖8。

3.2 模擬仿真分析比對(duì)

通過(guò)仿真分析，疲勞周次對(duì)應(yīng)的路況下均得到大幅提升，并且改進(jìn)后的方案再焊縫周邊無(wú)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中改進(jìn)后前翼子板支架總成的疲勞周次在D級(jí)路面+E級(jí)路面時(shí)提升1.00E22，提升效果明顯，見(jiàn)圖9。

圖9 翼子板前支架總成改前改后疲勞周次對(duì)比

3.3 提升翼子板支架疲勞周次的其他案例

圖10 翼子板前支架總成改前改后結(jié)構(gòu)對(duì)比

根據(jù)3.1確定的改進(jìn)方向，對(duì)翼子板其他類型的支架進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比，見(jiàn)圖10。

4 結(jié)論

以翼子板前支架總成為例，通過(guò)斷口分析，應(yīng)用場(chǎng)景分析，通過(guò)模擬仿真手段實(shí)現(xiàn)缺陷再現(xiàn)，并以此為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而總結(jié)了焊接類懸臂支架提升疲勞壽命的基本方法，針對(duì)懸臂類結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提升具有普遍意義。

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Study on fatigue failure of welding cantilever bracket for truck

Yue Dongdong, Zhang Pan, Liu Zhixing, Li He, Wu Hai, Liu Weidong

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

The welded cantilever bracket is a common structure in heavy trucks,which should be intact during the whole life cycle of heavy trucks.In recent years,during the life cycle of the heavy truck,the fractue failure of the welded cantilever bracket occurred,which resulted in the major safety hidden danger in the operation of heavy truck.In this paper,the failure reasons of the heavy truck fender bracket is analyzed by taking it as a typical case,The basic reason of the damage of the welded cantilever bracket is that the welding heat effict is too great,which reasult in fatigue damage in the heat affected area under random stress.Through the theory analysis of fatigue life prediction,the fault reappearance by simulated and the fatigue cycle is raised by structual optimization,thus,the general method of lifting fatigue life of the welded cantilever bracket is put forward.

Welded cantilever bracket;Fracture failure;Failure analysis;Structure optimizing

U445

A

1671-7988(2019)13-212-04

U445

A

1671-7988(2019)13-212-04

岳冬冬（1988-），男，就職于陜西重型汽車有限公司，從事汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.071