基于實(shí)測(cè)載荷譜的車(chē)載充電機(jī)支架隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾維和，茍黎剛，王雷，閆召紅，廖慧紅

吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

車(chē)載充電機(jī)支架作為裝載充電機(jī)的關(guān)鍵零部件。在車(chē)輛服役過(guò)程中OBC支架動(dòng)載荷激勵(lì)來(lái)源主要有兩方面，一是OBC及其支架安裝在前吸能盒上靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙，發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期性振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)懸置傳導(dǎo)至支架安裝點(diǎn)；另一方面車(chē)輛行駛時(shí)路譜隨機(jī)載荷傳導(dǎo)至車(chē)身引起支架振動(dòng)。在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)載荷激勵(lì)下，OBC支架可能出現(xiàn)疲勞問(wèn)題，其疲勞壽命必須滿(mǎn)足汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的耐久性能目標(biāo)。

目前，汽車(chē)領(lǐng)域疲勞仿真根據(jù)載荷類(lèi)型可分為時(shí)域法和頻域法。時(shí)域法一般是將試驗(yàn)場(chǎng)采集或虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)仿真獲得的時(shí)域路譜載荷信號(hào)作為激勵(lì)，輸出應(yīng)力時(shí)間響應(yīng)，然后計(jì)算得到疲勞損傷，該方法精度高但耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng);頻域法疲勞仿真在解決振動(dòng)疲勞問(wèn)題方面具有鮮明優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和企業(yè)工程師對(duì)此方法進(jìn)行了深入探索，實(shí)踐表明頻域法振動(dòng)疲勞仿真可縮減計(jì)算時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化迭代，且仿真結(jié)果具有相當(dāng)高的可靠性。MICHIUE等基于建立的摩托車(chē)排氣系統(tǒng)振動(dòng)疲勞有限元分析模型仿真預(yù)測(cè)了焊接部位的疲勞壽命，并結(jié)合系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很好。李敏浩等研究對(duì)比了車(chē)身控制模塊支架振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真結(jié)果，驗(yàn)證了支架耐久性能開(kāi)發(fā)中隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析的有效性。

本文針對(duì)某車(chē)型研發(fā)試驗(yàn)樣車(chē)驗(yàn)證階段耐久路試進(jìn)行一段時(shí)間后拆車(chē)，發(fā)現(xiàn)OBC支架斷裂問(wèn)題。首先利用顯微手段分析斷口宏觀和微觀形貌，并確定開(kāi)裂支架裂紋萌生區(qū)位置；其次采集試驗(yàn)樣車(chē)支架安裝點(diǎn)時(shí)域載荷，依據(jù)損傷等效原理轉(zhuǎn)換得到支架激勵(lì)端加速度功率譜密度；然后基于CAE仿真工具搭建OBC支架有限元分析模型得到隨機(jī)振動(dòng)均方根應(yīng)力和疲勞損傷，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)支架結(jié)構(gòu)局部?jī)?yōu)化消除應(yīng)力集中，支架損傷大幅下降；最終新設(shè)計(jì)的OBC支架順利通過(guò)振動(dòng)疲勞臺(tái)架測(cè)試，解決了OBC系統(tǒng)安裝支架振動(dòng)疲勞開(kāi)裂問(wèn)題。

1 斷口形貌分析

某車(chē)型研發(fā)早期進(jìn)行耐久路試過(guò)程中，OBC支架發(fā)生斷裂，拆解檢查發(fā)現(xiàn)裂紋貫穿整個(gè)支架本體，發(fā)生斷裂位置如圖1所示。

圖1 OBC支架耐久路試斷裂位置

為準(zhǔn)確判斷支架斷裂類(lèi)型，借助光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌特征。OBC支架宏觀斷口形貌如圖2所示，斷面斷口宏觀形貌顯示：整個(gè)斷面由裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，其中裂紋源共3處，呈多源疲勞斷裂特征。

圖2 OBC支架宏觀斷口形貌

3處裂紋萌生區(qū)微觀SEM形貌如圖3所示，由圖清晰可見(jiàn)疲勞臺(tái)階特征(C區(qū))，局部區(qū)域發(fā)生擠壓磨損現(xiàn)象(A區(qū))，未見(jiàn)明顯加工缺陷。

圖3 3處裂紋萌生區(qū)微觀SEM形貌

裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀斷口形貌如圖4所示，其中可見(jiàn)疲勞輝紋，進(jìn)一步表明該支架斷裂類(lèi)型為疲勞斷裂。

圖4 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀斷口形貌

瞬斷區(qū)微觀斷口形貌如圖5所示，斷口清晰可見(jiàn)明顯的韌窩形貌，這種形貌是拉斷瞬間金屬發(fā)生較大塑性應(yīng)變留下的特征形貌。

圖5 瞬斷區(qū)微觀斷口形貌

2 有限元仿真分析

2.1 仿真模型與方法

建模時(shí)采用二維殼單元對(duì)數(shù)模進(jìn)行離散，網(wǎng)格平均尺寸約5 mm，螺栓連接用RBE2-CBAR-RBE2模擬，焊點(diǎn)連接用RBE3-HEXA-RBE3模擬，建立的隨機(jī)振動(dòng)有限元仿真分析模型如圖6所示。

圖6 隨機(jī)振動(dòng)有限元仿真分析模型

該車(chē)型超級(jí)電容及其支架與OBC支架總成螺栓連接。模型總質(zhì)量為11.6 kg，其中超級(jí)電容質(zhì)量為2.4 kg，OBC質(zhì)量為6.5 kg，網(wǎng)格數(shù)量共29 180個(gè)。

文中OBC及其支架總成安裝在前吸能盒上，路面載荷激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)通過(guò)支架安裝點(diǎn)傳導(dǎo)至車(chē)載充電機(jī)，為獲得OBC及其支架總成激勵(lì)端載荷，在車(chē)身側(cè)支架安裝點(diǎn)附近布置傳感器，采集到耐久路試過(guò)程中各路面加速度激勵(lì)信號(hào)如圖7所示。利用nCode Glyphworks軟件AcceleratedTesting模塊中ShockResponseSpectrum組件得到各段耐久測(cè)試路面激勵(lì)的偽損傷譜，結(jié)合耐久測(cè)試規(guī)范規(guī)定的每種路面循環(huán)次數(shù)計(jì)算累積總損傷，依據(jù)損傷等效原理，使用Test Synthesis組件將時(shí)域加速度載荷等效轉(zhuǎn)換成頻域功率譜密度，如圖8所示，此加速度功率譜密度作為隨機(jī)振動(dòng)疲勞計(jì)算的輸入，振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為、、各向8 h。

圖7 支架激勵(lì)端時(shí)域加速度信號(hào)

圖8 隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜密度曲線

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

頻率響應(yīng)分析可用于識(shí)別系統(tǒng)在頻域隨機(jī)載荷激勵(lì)下共振頻率。圖9為頻響分析得到的OBC支架應(yīng)力頻率響應(yīng)曲線，結(jié)果顯示支架應(yīng)力峰值頻率為34.1 Hz。模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有頻率和振型，OBC支架一階模態(tài)振型云圖如圖10所示，模態(tài)結(jié)果顯示其一階模態(tài)頻率為34.1 Hz，由模態(tài)向量可見(jiàn)其振型為彎扭。綜合應(yīng)力頻響曲線和模態(tài)分析結(jié)果可知，支架發(fā)生共振頻率與其一階模態(tài)頻率一致。

圖9 OBC支架應(yīng)力頻率響應(yīng)曲線

圖10 OBC支架一階模態(tài)振型云圖

斷口形貌分析觀測(cè)的疲勞裂紋萌生區(qū)對(duì)應(yīng)支架數(shù)模位置如圖11所示。均方根應(yīng)力反映的是系統(tǒng)在一段頻率范圍內(nèi)振動(dòng)動(dòng)應(yīng)力平均值，可評(píng)估振動(dòng)強(qiáng)度。為研究分析受迫振動(dòng)時(shí)OBC支架3個(gè)裂紋源A、B、C區(qū)平均動(dòng)應(yīng)力大小，計(jì)算分析了、、3個(gè)方向隨機(jī)振動(dòng)的均方根應(yīng)力，各向振動(dòng)支架的均方根應(yīng)力云圖如圖12所示。對(duì)比各向均方根應(yīng)力大小可見(jiàn)：與PSD輻值相對(duì)應(yīng)，向振動(dòng)加速度功率譜密度大于向、向，向均方根應(yīng)力大于另外兩方向，向振動(dòng)A、B、C區(qū)均方根應(yīng)力分別為131.1、110.4、149.0 MPa；另一方面，分析各向振動(dòng)均方根應(yīng)力分布可見(jiàn)，A、B、C區(qū)應(yīng)力水平高于支架其他區(qū)域，尤其是C區(qū)應(yīng)力水平最高，應(yīng)力在這3區(qū)集中，這也是疲勞裂紋在A、B、C區(qū)萌生的根本原因。

圖11 疲勞裂紋萌生區(qū)對(duì)應(yīng)支架數(shù)模位置

圖12 隨機(jī)振動(dòng)均方根應(yīng)力云圖

結(jié)合圖10中OBC及其支架模態(tài)振型和支架結(jié)構(gòu)特征，A、B、C區(qū)應(yīng)力集中產(chǎn)萌生裂紋的原因有：A區(qū)位于支架折邊處且此位置開(kāi)有工藝缺口，支架受激勵(lì)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生彎扭，折邊缺口應(yīng)力梯度大，往復(fù)振動(dòng)時(shí)更易被撕裂；B區(qū)位于OBC支架與L型加強(qiáng)板焊點(diǎn)附近，C區(qū)位于支架凹筋特征前端，此加強(qiáng)筋也靠近支架與L型加強(qiáng)支架搭接焊點(diǎn)，B、C區(qū)應(yīng)力水平高是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋布置不合理剛度在此處發(fā)生突變，剛度不連續(xù)導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)，應(yīng)力顯著集中，從而導(dǎo)致支架振動(dòng)反復(fù)彎扭變形時(shí)微裂紋萌生。

與時(shí)域疲勞方法類(lèi)似，頻域范圍內(nèi)隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷計(jì)算依然遵從Miner法則，若材料在某一應(yīng)力幅Δ下發(fā)生破壞的總次數(shù)為，循環(huán)次數(shù)計(jì)為，則損傷總和可表述為：

(1)

大量研究證實(shí)，頻域范圍里循環(huán)計(jì)數(shù)方法被廣泛采用精度最高的方法是Dirlik計(jì)數(shù)法。依據(jù)Dirlik經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)數(shù)原理，若疲勞載荷總時(shí)長(zhǎng)，在應(yīng)力變化幅下的循環(huán)次數(shù)表達(dá)式為：

()=··()

(2)

其中：

(3)

(4)

其中：

(5)

(6)

=1--

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：、、、分別為第0，1，2，4階應(yīng)力功率譜密度力矩。

根據(jù)Power Law定律，應(yīng)力-壽命可用冪函數(shù)關(guān)系式表達(dá)：·=，結(jié)合Miner損傷疊加原理，若應(yīng)力幅達(dá)到疲勞破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)為()，求得總損傷表達(dá)式：

(13)

式中：、為與材料相關(guān)的常數(shù)。

根據(jù)Dirlik計(jì)數(shù)法計(jì)算的OBC支架隨機(jī)振動(dòng)損傷云圖如圖13所示。

圖13 OBC支架隨機(jī)振動(dòng)損傷云圖

由圖13清晰可見(jiàn)：與應(yīng)力集中部位對(duì)應(yīng)，均方根應(yīng)力水平高的區(qū)域損傷也大，裂紋源C區(qū)損傷最大達(dá)6.4，裂紋源A、B區(qū)損傷值分別為2.6、2.1，遠(yuǎn)超過(guò)1。工程實(shí)踐中一般要求損傷小于1，若疲勞累積損傷大于1，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。

3 方案優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)第2.2節(jié)中分析的原斷裂支架裂紋源處產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因，為降低OBC支架應(yīng)力水平，采取了一系列針對(duì)性措施對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化前后支架結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖14所示。優(yōu)化措施主要有：為降低A區(qū)折邊缺口附近應(yīng)力水平，缺口取消折邊處補(bǔ)齊；另一方面為解決結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)問(wèn)題，抹掉與L型支架搭接區(qū)附近的加強(qiáng)特征，同時(shí)L型支架與OBC支架本體間增加兩道焊縫，分散支架彎扭變形時(shí)焊點(diǎn)附近應(yīng)力。設(shè)計(jì)方案變更后OBC支架結(jié)構(gòu)如圖14b所示。

圖14 優(yōu)化前后支架結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.2 優(yōu)化方案隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真結(jié)果分析

圖15為優(yōu)化后支架應(yīng)力頻率響應(yīng)曲線。頻響結(jié)果顯示優(yōu)化后共振峰值應(yīng)力頻率為36.0 Hz，與原方案比共振頻率提高1.9 Hz。

圖15 優(yōu)化后支架應(yīng)力頻率響應(yīng)曲線

對(duì)結(jié)構(gòu)變更后的支架重新進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)強(qiáng)度仿真，計(jì)算的、、各方向振動(dòng)支架均方根應(yīng)力云圖如圖16至圖18所示。表1列出了優(yōu)化前后裂紋源處支架均方根應(yīng)力對(duì)比。結(jié)果表明：向振動(dòng)支架折邊拐角處(A區(qū))均方根應(yīng)力由131.1 MPa下降至78.4 MPa;焊點(diǎn)附近(B區(qū))由110.4 MPa降低至58.4 MPa;C區(qū)凹筋特征取消前后應(yīng)力由149.0 MPa下降至49.4 MPa，下降幅度高達(dá)67%效果最為顯著。同樣的、向振動(dòng)時(shí)支架均方根應(yīng)力水平均出現(xiàn)不同程度降低。

圖16 優(yōu)化后X向支架均方根應(yīng)力云圖

圖17 優(yōu)化后Y向支架均方根應(yīng)力云圖

圖18 優(yōu)化后Z向支架均方根應(yīng)力云圖

表1 優(yōu)化前后裂紋源處支架均方根應(yīng)力對(duì)比 單位:MPa

優(yōu)化后支架振動(dòng)疲勞損傷云圖如圖19所示。

圖19 優(yōu)化后支架振動(dòng)疲勞損傷云圖

由圖19清晰可見(jiàn)：結(jié)構(gòu)更改后新方案A區(qū)(支架折邊拐角處)損傷值0.108，B區(qū)(焊點(diǎn)附近)損傷0.019，C區(qū)損傷僅0.003，遠(yuǎn)小于1；新支架最大損傷為0.65，也未超過(guò)1，不會(huì)有疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性和仿真結(jié)果的可靠性，對(duì)優(yōu)化后的OBC支架總成系統(tǒng)進(jìn)行、、各向振動(dòng)測(cè)試，每個(gè)方向振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)8 h，圖20為優(yōu)化后OBC支架隨機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)支架拆解仔細(xì)檢查支架受損情況，發(fā)現(xiàn)支架外觀良好，無(wú)開(kāi)裂、斷裂現(xiàn)象，順利通過(guò)振動(dòng)耐久試驗(yàn)，有效解決了支架振動(dòng)疲勞斷裂問(wèn)題。

圖20 優(yōu)化后OBC支架隨機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)車(chē)輛耐久路試OBC支架開(kāi)裂問(wèn)題，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡顯微分析手段分析斷口形貌，確定支架斷裂類(lèi)型和疲勞裂紋起源位置；然后基于有限元仿真，綜合模態(tài)振型、頻率響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)仿真均方根應(yīng)力和疲勞損傷結(jié)果，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生區(qū)應(yīng)力水平均較高，CAE仿真預(yù)測(cè)的應(yīng)力集中區(qū)疲勞損傷大的部位與試驗(yàn)開(kāi)裂位置高度吻合；支架裂紋源處應(yīng)力集中的原因是折彎處存在缺口、結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的新支架消除了折彎缺口應(yīng)力集中和剛度不連續(xù)變形不協(xié)調(diào)問(wèn)題，大幅降低了支架均方根應(yīng)力水平，優(yōu)化后支架隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷大幅下降，最大損傷由6.4減少至0.65，損傷控制在1.0以?xún)?nèi)；最后經(jīng)隨機(jī)振動(dòng)疲勞測(cè)試驗(yàn)證，優(yōu)化后的支架耐久試驗(yàn)后外觀良好未見(jiàn)開(kāi)裂，順利通過(guò)疲勞耐久試驗(yàn)。文中提供的車(chē)載充電機(jī)支架振動(dòng)疲勞斷裂問(wèn)題的研究思路和方法能為汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決類(lèi)似問(wèn)題提供借鑒依據(jù)。