某車型橫向穩(wěn)定桿臺架疲勞仿真分析方法

于東娜，田 崇，鄂世國

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

1 背景介紹

橫向穩(wěn)定桿又稱防傾桿，屬于輔助彈性元件里面的扭桿彈簧，可有效防止整車在轉彎時的橫向側傾及改善平順性。左、右輪安裝點受到來自顛簸路面引起的，在反向輪跳量為載荷幅值下的周期性往復運動，強度應力通常在彈性范圍內，主要以高周疲勞耐久形式破壞。在穩(wěn)定桿強度疲勞分析研究領域中，李艷紅等對穩(wěn)定桿全模型進行了疲勞分析。馮蘭芳等在其基礎上，引入了比較專業(yè)的MSC.fatigue軟件來求解計算疲勞壽命。劉素紅等根據(jù)疲勞計算結果進行靈敏度參數(shù)優(yōu)化。近年，許期英等使用Isight軟件對穩(wěn)定桿的桿徑做了優(yōu)化，得到最大疲勞壽命下的最優(yōu)桿徑。以上的研究普遍存在著創(chuàng)建分析方法老舊，流程效率低，缺少與試驗測試等對標實際情況。另外，穩(wěn)定桿作為扭桿彈簧，多采用機械性能較高的60Si2CrVA、55Cr3、60Si2MnA等高強度彈簧鋼，其在材料、成型、熱處理、噴丸強化等方面影響穩(wěn)定桿的強度及疲勞耐久性能。

本研究采用行業(yè)內通用的Hypermesh軟件進行網(wǎng)格離散化快速處理，在ABAQUS求解器接口環(huán)境下，進行反向輪跳量加載下的非線性強度求解計算，通過疲勞耐久專業(yè)分析軟件FEMFAT計算出其疲勞壽命，由于穩(wěn)定桿受到的幅值載荷傳遞路徑方向單一，且臺架試驗的工裝夾具是按照路試再現(xiàn)法安裝搭建，故能很好地反映出穩(wěn)定桿的疲勞耐久性能，將仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗測試數(shù)據(jù)進行對標，總結出了快速驗證的流程技術規(guī)范，作為產(chǎn)品設計的理論指導，可有效地縮短開發(fā)周期。

2 研究對象

以乘用車某車型后橋橫向穩(wěn)定桿作為研究對象，帶有襯套的總成3D數(shù)據(jù)模型如圖1所示，圖(a)為全局視圖，圖(b)為在襯套徑向中心面提取的剖切視圖。

穩(wěn)定桿的彎曲折彎設計是根據(jù)整車總布置的要求，合理避讓與其它結構件之間的運動干涉，但折彎越多，工藝工序增加，其成本越高；穩(wěn)定桿的直徑大小關系到其扭轉剛度的大小，進而直接影響著整個懸架特性，即整車平順性。扭轉剛度計算公式如下：

式中，為扭轉剛度，N?m/rad；為單位載荷，N；為端頭向位移，mm；為穩(wěn)定桿端點法向距離，mm；在襯套徑向剛度影響，約有30 N?m/ rad～40 N?m/ rad的偏差。所以穩(wěn)定桿的結構設計需要全面兼顧考慮。

穩(wěn)定桿優(yōu)化前、優(yōu)化后的材料信息如表1所示，由于襯套橡膠的特殊性，只有硬度參數(shù)來表征其本構信息，該硬度為Shore A 70。

在匹配好懸架特性前提下，穩(wěn)定桿直徑為19 mm，材料選定為55Cr3，根據(jù)實際裝車狀態(tài)進行臺架試驗，夾箍螺栓安裝全固定，在穩(wěn)定桿兩端的耳孔位置，用作動器控制終端設置垂向±35.4 mm的反向行程（由懸架動力學仿真計算出的80%輪跳極限），疲勞壽命≥1.5×10為合格，穩(wěn)定桿疲勞耐久臺架試驗測試如圖2所示。

圖2中破壞斷裂位置出現(xiàn)在襯套外側區(qū)域（彎扭復合應力），樣件臺架試驗信息如表2所示。

該狀態(tài)下的穩(wěn)定桿疲勞耐久壽命不合格，與目標值相差甚遠。由于懸架特性已匹配好，且襯套、夾箍須通用化（根據(jù)應力公式，如襯套厚度大小不變，桿徑越大則應力越大，不建議增大桿徑），所以通過改變材料來提升優(yōu)化。積累的穩(wěn)定桿常用材料的-試驗測試曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3及表1綜合比較，60Si2CrVA各項性能指標明顯優(yōu)于55Cr3，經(jīng)優(yōu)化后的穩(wěn)定桿臺架疲勞耐久試驗滿足目標要求，試驗信息如表3所示。

3 有限元建模與分析

3.1 前期建模

將模型數(shù)據(jù)導入Hypermesh軟件，調用ABAQUS求解器編輯環(huán)境，由于該車型穩(wěn)定桿在整車坐標系下為對稱結構，鏡像共節(jié)點處理即可。為保證精度，整體模型采用六面體單元，穩(wěn)定桿端頭過渡位置可適當采用少量的四面體單元。有限元模型處理要點順序如下。

（1）由于襯套與穩(wěn)定桿之間要共節(jié)點，在穩(wěn)定桿與襯套接觸區(qū)域需提前做好印記，可使用surface edit里面的trim with surfs/plane命令來構造切割線，washer split命令輸入襯套軸向寬度來生成另一個偏移線，形成網(wǎng)格衍生的傳遞路徑。

（2）分別在穩(wěn)定桿圓型與端頭扁平型過渡臨界區(qū)域，使用split surf-line命令來勾勒路徑的終點特征線，使用該特征線來切割出2個截面（圓截面和矩形面），后續(xù)要用。

（3）在穩(wěn)定桿幾何對稱中心0點位上使用切割命令，采用5 mm四邊形單元劃分該圓截面。在line drag命令里，elems選擇該圓截面單元，along line list先選擇穩(wěn)定桿中心面至襯套內側的路徑線，on drag根據(jù)尺寸設置層疊數(shù)量；生成實體網(wǎng)格后，在Tool里面的faces將實體網(wǎng)格生成輔助表面單元，再重復line drag命令，elems選擇新的圓端面單元，alone line list選擇步驟（1）的路徑線，設置層疊數(shù)量生成網(wǎng)格后，同理依次生成襯套外側至步驟（2）特征線區(qū)域的網(wǎng)格。將輔助表面單元全部刪除。

（4）在穩(wěn)定桿端頭扁平區(qū)域，根據(jù)耳孔螺母直徑大小，用washer split設置特征線，采用5 mm mixed混合單元劃分，注意washer單元不允許有三角形單元，同樣使用line drag命令，根據(jù)厚度設置好層疊數(shù)量，生成實體網(wǎng)格。

（5）將現(xiàn)有實體網(wǎng)格再次生成輔助表面單元，使用solid map里面的general命令選擇步驟（2）切割好的圓截面作為source geom源面，其面單元作為源單元；矩形面作為dest geom目標面，其面單元作為目標單元，單元尺寸大小均為5 mm，mesh生成實體單元。

（6）根據(jù)襯套徑向厚度，采取簡易襯套模型處理，即使用elem offset里面的solid layers實體偏移，選擇步驟（5）中襯套區(qū)域的輔助面單元，total thickness厚度為16 mm，number of layers層數(shù)為5，點擊offset-（默認徑向向心為正、向外為負）來生成共節(jié)點襯套網(wǎng)格，該方法是經(jīng)過大量驗證積累總結的替代法。將輔助表面單元全部刪除。

（7）在襯套幾何中心創(chuàng)建節(jié)點，與襯套外表面節(jié)點耦合創(chuàng)建rbe2單元（作為約束點）；在穩(wěn)定桿端頭螺母安裝點創(chuàng)建節(jié)點，與washer單元節(jié)點耦合創(chuàng)建rbe2單元（作為載荷施加點）。

（8）在reflect鏡像處理中，選中以上所有創(chuàng)建的單元，采用duplicate復制方法的original comp存檔原組件的方法，軸為鏡像方向，中心0點為參考點，生成全部網(wǎng)格模型。

（9）將整個穩(wěn)定桿實體模型生成表面單元，其厚度設置為0.001，由于實體單元只有3自由度，而面單元具有6自由度的特點，能夠將計算出的單元應力很好地積分到節(jié)點上，可有效地提高仿真精度。穩(wěn)定桿有限元模型（含放大特寫效果）如圖4所示。

兩種高強鋼材料力學性能信息如表4所示。

上述兩種材料力學性能幾乎一致，只有密度有所差異。在襯套橡膠材料定義中，其密度通常為1.0E-9，用超彈特性Hyperelastic里面的Mooney_Rivlin模型來表征本構關系，硬度Shore A 70°對應參數(shù)C10為0.736，C01為0.184，D1為0.04，單元類型更為C3D8R（橡膠材料雜交混合單元）。

由于穩(wěn)定桿的剛度特性，其邊界條件的輸入必須是基于有限元法的懸架動力學仿真計算出的，故在有限元模型生成后會立即做穩(wěn)定桿（不帶襯套）模態(tài)柔性體輸出，將密度單位乘以1 000換算成Tonne公噸進制，與ADAMS單位制匹配，生成可讀*.mnf文件，仿真出反向輪跳值。

設置開啟Nlgeom=Yes大變形非線性求解，載荷加載采用強迫位移法，邊界條件如表5所示，工況步如表6所示。

將強度計算結果*.odb文件導入FEMFAT軟件，采用TransMAX模塊求解，選定四個step的增量為1來構建應力時間歷程，創(chuàng)建材料-曲線參數(shù)匹配，95%存活率，設置統(tǒng)計學影響因子，MINER算法來計算疲勞。

3.2 仿真結果

經(jīng)求解計算，優(yōu)化前的橫向穩(wěn)定桿應力及疲勞損傷如圖5所示，最大應力值為783 MPa，出現(xiàn)在襯套附近區(qū)域（與臺架試驗位置吻合），其壽命為9.6×10次。

該優(yōu)化前穩(wěn)定桿的試驗壽命次數(shù)與臺架試驗次數(shù)基本一致。優(yōu)化后的穩(wěn)定桿疲勞損傷壽命如圖6所示，其壽命為2.11×10次（應力接近不予列出）。

優(yōu)化后的穩(wěn)定桿在不改變懸架性能的基礎上，也滿足了疲勞耐久壽命次數(shù)的要求，與臺架試驗吻合，實現(xiàn)了仿真與試驗對標閉環(huán)工作。

4 結論

全文詳細地總結了具有較高仿真精度的工程化建模流程，采用單元偏置共節(jié)點的襯套創(chuàng)建法，可有效提高工程計算時間，驗證了仿真結果與臺架試驗結果的一致性，結合懸架動力學特性，為穩(wěn)定桿結構優(yōu)化提供了理論指導。鑒于穩(wěn)定桿的載荷傳遞路徑單一等特點，與路面譜試驗數(shù)據(jù)驗證對比，是后續(xù)展開工作研究的重點及方向。