為評(píng)估前副車架的耐久性能，利用FEMFAT分析了某汽車的前副車架的疲勞壽命。提出了一種能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊縫壽命的建模方法，保證了車架焊縫局部的應(yīng)力真實(shí)可信，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了該汽車前副車架焊縫的疲勞壽命，并對(duì)結(jié)構(gòu)和焊縫進(jìn)行了優(yōu)化，使前副車架通過(guò)了耐久試驗(yàn)測(cè)試。

導(dǎo)語(yǔ)

汽車在日常使用中主要載荷來(lái)自于動(dòng)力總成及地面，前副車架直接承擔(dān)來(lái)自動(dòng)力總成和底盤桿系的載荷，是極易發(fā)生疲勞破壞的汽車結(jié)構(gòu)之一。因此，對(duì)前副車架進(jìn)行疲勞性能評(píng)估是汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的過(guò)程?，F(xiàn)階段，普遍采用整車耐久試驗(yàn)的方法評(píng)估，該方法必須生產(chǎn)多臺(tái)樣車，且每一輪驗(yàn)證耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)2-3個(gè)月，非常不經(jīng)濟(jì)。CAE技術(shù)的發(fā)展使虛擬樣機(jī)驗(yàn)證變?yōu)榭赡?，疲勞分析技術(shù)能大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

本文利用CAE方法對(duì)某汽車前副車架的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，疲勞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與耐久試驗(yàn)吻合良好，并優(yōu)化了該副車架局部結(jié)構(gòu)，后續(xù)的耐久試驗(yàn)中未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

1疲勞分析理論

自19世紀(jì)中葉以來(lái)，逐漸發(fā)展起來(lái)的主要疲勞理論有三種：應(yīng)力壽命相關(guān)的S-N理論、應(yīng)變壽命相關(guān)的8-N理論、裂紋擴(kuò)展理論。相對(duì)來(lái)說(shuō)，材料S-N曲線的獲得是最容易的，因此，現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛、與工程實(shí)踐結(jié)合最好的還是S-N理論瞳。

S-N理論認(rèn)為：根據(jù)材料的S-N曲線，不同的應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的損傷，在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也不斷變化，損傷不斷累計(jì)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的總損傷大于1則結(jié)構(gòu)破裂。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，工程中通常假定損傷是線性累計(jì)（Miner準(zhǔn)則）的，與加載順序無(wú)關(guān)。

一般地，利用S-N理論做疲勞分析按如下步驟進(jìn)行：（1）計(jì)算結(jié)構(gòu)在單位載荷下的應(yīng)力；（2）將單位載荷下的應(yīng)力與各通道的時(shí)間歷程相乘，并疊加，獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力歷程；（3）對(duì)應(yīng)力歷程進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)，獲取應(yīng)力幅值A(chǔ)i和載荷循環(huán)Ci；（4）與S-N曲線匹配，計(jì)算不同幅值的損傷Di；（5）將損傷進(jìn)行線性累積，計(jì)算總損傷D總和壽命1/D總。分析流程如圖1所示。


圖1 S-N法分析流程圖

2前副車架疲勞壽命預(yù)測(cè)

2.1
有限元模型及網(wǎng)格精度要求

前副車架用螺栓連接在車身上，分析時(shí)需考慮安裝點(diǎn)的安裝剛度，如直接約束副車架與車身的連接點(diǎn)，則車架在受側(cè)向或縱向的拉伸或擠壓時(shí)會(huì)處于過(guò)約束狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際不符的分析結(jié)果。考慮安裝點(diǎn)的安裝剛度有兩種方法：一種是在安裝點(diǎn)建立襯套單元，賦予襯套屬性，模擬安裝剛度；另一種是搭建部分車身模型，將副車架用梁?jiǎn)卧c車身連接，這種方法最接近實(shí)際情況。同理，轉(zhuǎn)向機(jī)不能用剛性單元模擬，因?yàn)閯傂詥卧獣?huì)加強(qiáng)副車架后橫梁的剛度，導(dǎo)致后橫梁應(yīng)力與實(shí)際不符。

強(qiáng)度分析采用Nastran求解，分析模型由轉(zhuǎn)向機(jī)、前副車架和前部車身組成。殼單元采用CTRIA3及CQUAD4單元模擬；實(shí)體單元采用CHEXA及CTETRA單元模擬；螺栓用Cbar單元模擬，模型總計(jì)446151個(gè)節(jié)點(diǎn)，586438個(gè)單元，如圖2所示。


圖2 有限元模型

良好的網(wǎng)格模型是有限元分析的基礎(chǔ)，不同的分析對(duì)網(wǎng)格的要求不同，比如剛度分析不要求網(wǎng)格非常精細(xì)，但強(qiáng)度分析需要在關(guān)注的地方細(xì)化網(wǎng)格，孔周圍最好用warsher畫(huà)法。疲勞分析需要獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，因此對(duì)網(wǎng)格精度有要求。本文的車身網(wǎng)格模型按一般精度控制，基礎(chǔ)尺寸按10mm劃分，焊縫處的網(wǎng)格需特殊處理。

以T型焊（T-Joint）和平行焊（Lap-Joint）為例，具體要求有：
（1）緊鄰焊縫節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的單元稱為焊縫單元，其寬度尺寸嚴(yán)格控制在鈑金厚度的2～5倍，如圖2所示，a取值為2～5。

（2）焊縫起始節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度尺寸控制在鈑金厚度的2～3倍，如圖3所示，b取值為2～3。

（3）起始節(jié)點(diǎn)和終止節(jié)點(diǎn)周圍盡量都是焊縫單元。

（4）焊縫單元盡量不要用三角形單元。

（5）平行焊的焊縫連接單元只能定義一層，厚度定義為2個(gè)母材的最大厚度。設(shè)母材厚度分別為Ti、T2，則焊縫連接單元厚度T=Max｛T1，T2｝，如圖4所示。


圖3 焊縫定義示意圖


圖4 平行焊（Lap-Joint）定義示意圖

2.2
強(qiáng)度工況設(shè)定

約束車身截?cái)嗝孀杂啥?23，約束前懸架塔座自由度3，保證約束點(diǎn)遠(yuǎn)離加載點(diǎn)。分別在下擺臂前安裝點(diǎn)、下擺臂后安裝點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置點(diǎn)、穩(wěn)定桿安裝點(diǎn)和轉(zhuǎn)向拉桿連接點(diǎn)施加x、y、z三向單位力和單位扭矩，共計(jì)66個(gè)工況。分別計(jì)算副車架在各工況單位載荷下的應(yīng)力，各加載點(diǎn)位置如圖5所示，除發(fā)動(dòng)機(jī)懸置點(diǎn)外，其它點(diǎn)左右對(duì)稱。


圖5 前副車架加載點(diǎn)示意圖

2.3
疲勞分析

疲勞分析軟件FEMFAT中有豐富的焊縫數(shù)據(jù)庫(kù)，在不同的焊縫缺口因子修正下，使焊縫的疲勞分析具有較高的精度。本文中用到的焊縫有平行焊縫（FilletWeld）、V型焊（V-Seam）等，根據(jù)副車架的實(shí)際焊接情況選擇正確的焊縫類型，定義好焊縫節(jié)點(diǎn)、起始節(jié)點(diǎn)、終止節(jié)點(diǎn)及焊縫單元，焊縫的概念模型和實(shí)際模型如圖6所示，左側(cè)為焊縫的概念模型，右側(cè)為實(shí)際模型。


圖6 焊縫示意圖

底盤件的載荷譜無(wú)法直接采集，需依賴多體動(dòng)力學(xué)，采集的車輪六分力通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)模型分解到各底盤結(jié)構(gòu)件。多體動(dòng)力學(xué)模型中的襯套特性、彈簧特性等直接影響到底盤構(gòu)件的載荷，建立多體動(dòng)力學(xué)模型時(shí)各彈性元件需要經(jīng)過(guò)標(biāo)定，盡量與實(shí)車一致。獲得前副車架的載荷后，與2.2中的66個(gè)工況一一對(duì)應(yīng)，關(guān)聯(lián)起來(lái)，計(jì)算前副車架的應(yīng)力歷程，圖7所示為下擺臂前安裝點(diǎn)的六向載荷，車輛在高強(qiáng)耐久路面上行駛時(shí)該點(diǎn)主要承受Y向和Z向載荷。

2.4
結(jié)果及優(yōu)化

計(jì)算完成后，輸出結(jié)果文件，在后處理軟件中打開(kāi)，查看前副車架的壽命分布情況，如圖9所示，在副車架后橫梁上Pl、P2處焊縫壽命較低，壽命分別為1497Km、5298Km，分析其原因如下：前副車架后橫梁為了避讓排氣管，中部向上凸起，容易上在下擺臂的側(cè)向擠壓力或者拉伸力作用下，后橫梁中部容易向上或者向下變形，Pl、P2局部焊縫容易應(yīng)力集中，導(dǎo)致壽命較低。


圖9 仿真壽命云圖（單位：Km）
整車高強(qiáng)耐久試驗(yàn)過(guò)程中，1號(hào)試驗(yàn)車Pl、P2分別在2542、13085公里出現(xiàn)了裂紋，2號(hào)試驗(yàn)車Pl、P2分別在3831、9624公里出現(xiàn)了裂紋。疲勞分析結(jié)果及高強(qiáng)耐久試驗(yàn)車的里程如表2所示，試驗(yàn)裂紋如圖10所示。由表2及圖9、10所知：前；Pl較早出現(xiàn)裂紋，P2次之；同時(shí)由于材料、工藝的不一致性，各車架的破裂里程有些不同，但在可接受范圍內(nèi)；總體而言，副車架的破裂位置、趨勢(shì)及壽命里程都與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可利用本次分析所用的參數(shù)及網(wǎng)格處理方式對(duì)副車架局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)以上分析結(jié)果，在后橫梁內(nèi)部增加一塊厚度1.5mm的加強(qiáng)板，該加強(qiáng)板與后橫梁底板用焊點(diǎn)連接，同時(shí)改進(jìn)對(duì)局部焊縫進(jìn)行調(diào)整，使Pl、P2不再是焊縫的起始點(diǎn)或者終止點(diǎn)，優(yōu)化方案如圖12所示。


表2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)照表


圖10 P1試驗(yàn)裂紋圖


圖11 P2試驗(yàn)裂紋圖


圖12 局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

經(jīng)優(yōu)化，Pl、P2局部壽命顯著提高，Pl、P2點(diǎn)壽命分別為16629Km、55421Km，滿足16000Km的耐久要求，壽命云圖如圖13所示，設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的耐久試驗(yàn)過(guò)程中，前副車架后橫梁焊縫也未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂。

3結(jié)論

基于FEMFAT軟件分析了某車型前副車架的疲勞壽命，與試驗(yàn)吻合良好，并對(duì)車架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車架疲勞壽命滿足耐久目標(biāo)要求，本文方法可應(yīng)用于后續(xù)車型的車架設(shè)計(jì)及焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)。

疲勞問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的難點(diǎn)問(wèn)題，影響疲勞壽命的因素較多，且不易控制，甚至經(jīng)常出現(xiàn)同一部件在同樣的工況下壽命存在較大差異的情況，使得疲勞耐久的工程開(kāi)發(fā)有很大困難，但虛擬樣機(jī)驗(yàn)證取代物理試驗(yàn)驗(yàn)證是耐久開(kāi)發(fā)的是一種趨勢(shì)。通過(guò)精確的焊縫模型、材料對(duì)標(biāo)、參數(shù)標(biāo)定、準(zhǔn)確的載荷譜計(jì)算及制造工藝控制，能夠保證仿真分析結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)論有較高的吻合度。