鋁合金材料A356疲勞壽命試驗(yàn)研究?jī)?yōu)化 CAE有限元分析

楊 雷，李自平，向用均，楊鈞浩，高 為

（四川建安工業(yè)有限責(zé)任公司，四川 成都 625000）

鑄造鋁合金具有良好的鑄造工藝性能、力學(xué)性能和機(jī)械加工性能，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。汽車的輕量化趨勢(shì)已由發(fā)動(dòng)機(jī)開始向汽車懸架進(jìn)軍。由于懸架（扭梁/副車架等）復(fù)雜的受力情況，對(duì)鋁合金產(chǎn)品的可靠性就有更高更準(zhǔn)確的要求。產(chǎn)品開發(fā)前期的CAE有限元可靠性壽命分析數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文以下內(nèi)容主要為如何得到對(duì)特定加工工藝的材料 的不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行置信度較高的有限元疲勞壽命分析數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及執(zhí)行

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)針對(duì)A356鋁合金材料進(jìn)行研究分析，該材料的主要元素及含量如表1所示。

表1 AlSi7Mg0.3（A356.2）主要元素含量表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

伺服材料疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)包括金屬材料疲勞試驗(yàn)臺(tái)EHF-UV100k3-040-1AUS、電液伺服十通道懸架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)SVT-50-300。設(shè)備均由四川航天計(jì)量測(cè)試研究所年度校準(zhǔn)。

1.3 試驗(yàn)步驟

（1）如表2所示，取5根試驗(yàn)樣件做靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，得到5個(gè)試驗(yàn)樣件的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)。根據(jù)5個(gè)抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)值計(jì)算出抗拉強(qiáng)度的中位數(shù)。由于5根試驗(yàn)結(jié)果的值十分接近，可以采用平均值替代中位數(shù)。根據(jù)截面積計(jì)算出平均抗拉強(qiáng)度327.75 MPa，屈服強(qiáng)度210.335 MPa。

表2 各試驗(yàn)樣件最大拉力值

（2）根據(jù)抗拉強(qiáng)度平均數(shù)的40%～75%內(nèi)取需要的應(yīng)力點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況在中間位置每隔5%取一個(gè)應(yīng)力值，兩端每隔10%取一個(gè)應(yīng)力值。每一個(gè)應(yīng)力值需要進(jìn)行5個(gè)試驗(yàn)樣件的疲勞耐久試驗(yàn)。初步取75%，65%，60%，55%，50%，40%的值作為試驗(yàn)載荷輸入。最終與CAE分析技術(shù)人員協(xié)商確定12 kN、10.6 kN、9.8 kN、9 kN和6.5 kN的載荷為試驗(yàn)載荷。根據(jù)試樣樣件的直徑為8 mm，所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力依次為：238.9 MPa、211.0 MPa、195.1 MPa、179.1 MPa、129.4 MPa。

（3）按照從大到小依次進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)，=-1（即載荷幅值為拉壓載荷）。

所測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。試驗(yàn)安裝及試驗(yàn)后樣件如圖1、圖2所示。

表3 各試驗(yàn)樣件疲勞壽命值

圖1 試驗(yàn)安裝照片

圖2 試驗(yàn)后樣件照片

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相同載荷的不同試驗(yàn)樣品的試驗(yàn)結(jié)果差別很大，高載荷的個(gè)別試驗(yàn)次數(shù)甚至高于低載荷的試驗(yàn)次數(shù)；同載荷的不同樣件的試驗(yàn)次數(shù)也有較大差異。此種情況的原因眾多，少量的次數(shù)偏差大多由加工誤差引起，而如238.9 MPa應(yīng)力下的第一件與第二件的大量誤差一般是材料內(nèi)部缺陷造成，如組織粗大、夾雜等。該原因分析可以通過光學(xué)顯微鏡以及掃描電鏡可以觀察出來，很多文獻(xiàn)已經(jīng)提到。我們分析的重點(diǎn)在于得到較準(zhǔn)確的每種應(yīng)力載荷下的樣件疲勞壽命，所以就必須對(duì)每種載荷下不同樣件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行基于金屬件疲勞威布爾分布GB/T 34987—2017/IEC 61649:2008的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 各應(yīng)力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

應(yīng)力-壽命曲線（Stress life curve，SN）曲線擬合如圖3所示。

圖3 A356-SN曲線

2 代入CAE分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)修正

將分析統(tǒng)計(jì)后的SN數(shù)據(jù)通過軟件接口對(duì)分析軟件數(shù)據(jù)庫中的材料性能參數(shù)做出修正。調(diào)整后的分析結(jié)果要與統(tǒng)計(jì)后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡量吻合。

采用線性分析的方式來計(jì)算拉壓的強(qiáng)度，由 于載荷的對(duì)稱性，下面僅展示拉伸狀態(tài)的強(qiáng)度結(jié)果，如圖4所示。

圖4 修正后各載荷下抗拉強(qiáng)度的分析結(jié)果

從上述的結(jié)果可知，按公式手算的結(jié)果與有限元分析（Finite Element Method, FEM）方法相比均偏小，但差異不大，對(duì)后續(xù)疲勞分析的結(jié)果是有一定的影響的。

采用測(cè)試的SN曲線進(jìn)行疲勞分析（B90）。

分析時(shí)按=-1的對(duì)稱恒幅循環(huán)載荷進(jìn)行加載分析，以得到基于測(cè)試的基本SN曲線下的耐久結(jié)果，如圖5所示。

圖5 修正后各載荷下疲勞壽命的分析結(jié)果

上述的疲勞分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的整體趨勢(shì)是完全一致的，另外由于前述提到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散原因，所得的SN曲線是并不完全準(zhǔn)確的，在 高應(yīng)力區(qū)的偏差較大，而在低應(yīng)力區(qū)則有非常好的吻合度，即抗拉強(qiáng)度的40%左右還是有很好的置信度的，這一點(diǎn)在后面實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)和分析的對(duì)比中也得到了驗(yàn)證。

3 進(jìn)行結(jié)構(gòu)產(chǎn)品比對(duì)試驗(yàn)

CAE分析結(jié)果與樣件的試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整吻合后，進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)樣件的疲勞壽命試驗(yàn)與有限元壽命分析結(jié)果的比對(duì)驗(yàn)證。材料為A356的后副車架的疲勞耐久試驗(yàn)項(xiàng)目眾多，取其中一項(xiàng)前懸置支架耐久試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)。該試驗(yàn)項(xiàng)目要求對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行及兩個(gè)方向施加±12 kN的疲勞耐久試驗(yàn)。由于材料壽命完全取決于試驗(yàn)載荷的大小，試驗(yàn)結(jié)果及分析結(jié)果均不會(huì)出現(xiàn)失效，該結(jié)構(gòu)樣件能滿足壽命要求。為驗(yàn)證優(yōu)化后分析結(jié)果的匹配度，我們加大了試驗(yàn)載荷，試驗(yàn)載荷提高了到22 kN，由于焊縫處是結(jié)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，焊 縫處根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般為裂紋源，分析結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果都是焊縫處最先失效，失效圖片及分析如圖6—圖9所示。

圖6 結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)安裝圖片

圖7 ±12 kN的疲勞耐久試驗(yàn)分析結(jié)果

圖8 ±22 kN的疲勞耐久試驗(yàn)分析結(jié)果

圖9 ±20 kN的疲勞耐久試驗(yàn)樣件開裂照片

試驗(yàn)失效次數(shù)：84 538，CAE疲勞耐久試驗(yàn)分析結(jié)果次數(shù)：200 000/2.035=98 280，誤差范圍控制在了15%以內(nèi)。由于前期每種載荷下的試驗(yàn)樣本量只有5根，且試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)較離散，如需縮小誤差范圍，需增加樣本量，優(yōu)化材料SN曲線。增加樣本量就會(huì)增加試驗(yàn)時(shí)間，而15%的誤差對(duì)于前期結(jié)構(gòu)開發(fā)已經(jīng)可以提供一定的參考依據(jù)。由于產(chǎn)品前期結(jié)構(gòu)更改較為頻繁，所有的結(jié)構(gòu)更改均用實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而軟件自帶材料數(shù)據(jù)庫與實(shí)際產(chǎn)品的加工工藝（熱處理等）存在差異，會(huì)造成分析結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)有較大的誤差。該方法可有效改善這種差異，并使得分析結(jié)果具有較高的可信度。

4 結(jié)論

通過前期反復(fù)的試驗(yàn)及軟件數(shù)據(jù)調(diào)整，得到的主要結(jié)論如下：

建立了鋁合金A356標(biāo)準(zhǔn)棒材及結(jié)構(gòu)件的有限元模型，通過材料拉伸及疲勞試驗(yàn)計(jì)算出了材料的性能參數(shù)并收集了不同應(yīng)力下的試驗(yàn)次數(shù)。 通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的威布爾分布GB/T 34987—2017/ IEC 61649:2008標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算并擬合得到SN曲線。

將該材料SN曲線帶入并修正有限元分析軟件的數(shù)據(jù)庫，建立了鋁合金A356材料某一結(jié)構(gòu)件的有限元模型。使用數(shù)據(jù)庫修正后的有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析。將兩種載荷下的結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果及軟件分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，有效提高了有限元分析軟件結(jié)果的可信度，誤差范圍降低到了15%以內(nèi)。