鄧雄志　蘭鳳崇　譚東升

摘要：為評(píng)估前副車(chē)架的耐久性能，利用FEMFAT分析某汽車(chē)前副車(chē)架的疲勞壽命.提出焊縫不同區(qū)域單元的尺寸要求和焊縫連接單元的厚度要求，以保證前副車(chē)架焊縫的局部應(yīng)力真實(shí)可信；采用S-N法預(yù)測(cè)焊縫疲勞壽命，計(jì)算得到的開(kāi)裂位置和行駛距離與道路試驗(yàn)吻合良好；通過(guò)加強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)并重新布置焊縫位置，使前副車(chē)架通過(guò)耐久試驗(yàn)測(cè)試.分析表明：通過(guò)規(guī)范焊縫的建模要求，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)置合適的焊縫類(lèi)型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊縫的疲勞壽命，指導(dǎo)焊縫布置，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu).

關(guān)鍵詞：汽車(chē)； 副車(chē)架； 疲勞； 單元尺寸； 焊縫； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 耐久試驗(yàn)； S-N法

中圖分類(lèi)號(hào)： U462.36； TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：To evaluate the durability of front sub-frame， the fatigue life of the front sub-frame of an automobile is analyzed by FEMFAT. The requirements on element size around weld and thickness of weld connection elements are proposed to ensure the reliability of the local weld stress of the front sub-frame； the weld fatigue life is predicted by S-N method， and the crack location and the automobile travel distance are well consistent with those obtained by road test； the local structure enhancement and weld re-layout are implemented to make the front sub-frame pass the durability test. The analysis indicates that， by specifying the requirements on weld modeling and choosing reasonable weld type according to the real structure， the weld fatigue life can be predicted accurately， which can guide the weld layout and optimize the product structure.

Key words：automobile； sub-frame； fatigue； element size； weld； structure optimization； durability test； S-N method

0引言

在日常使用中車(chē)輛的主要載荷來(lái)自于動(dòng)力總成和地面，前副車(chē)架直接承擔(dān)來(lái)自動(dòng)力總成和底盤(pán)桿系的載荷，是極易發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)之一.因此，對(duì)前副車(chē)架進(jìn)行疲勞性能評(píng)估是汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的過(guò)程.[1]現(xiàn)階段，普遍采用整車(chē)耐久試驗(yàn)的方法進(jìn)行評(píng)估.該方法必須生產(chǎn)多臺(tái)樣車(chē)，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)榭赡埽诜治黾夹g(shù)能大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省時(shí)間和成本.

本文利用CAE方法對(duì)某汽車(chē)前副車(chē)架的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)疲勞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與耐久試驗(yàn)吻合良好；優(yōu)化該副車(chē)架局部結(jié)構(gòu)，且在耐久試驗(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)的主要疲勞理論有應(yīng)力壽命相關(guān)的S-N理論、應(yīng)變壽命相關(guān)的ε-N理論和裂紋擴(kuò)展理論等3種.相對(duì)來(lái)說(shuō)，材料的S-N曲線最容易獲得，因此現(xiàn)在工程中應(yīng)用最廣泛且與工程實(shí)踐結(jié)合最好的是S-N理論.[2]

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)力不斷變化，損傷不斷累積；當(dāng)結(jié)構(gòu)的總損傷大于1時(shí)則結(jié)構(gòu)破裂.為簡(jiǎn)化計(jì)算，工程中通常假定損傷是線性累積（Miner準(zhǔn)則）的，與加載順序無(wú)關(guān).[3]

一般地，利用S-N理論進(jìn)行疲勞分析的步驟如下：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.S-N法分析流程見(jiàn)圖1.

2前副車(chē)架疲勞壽命預(yù)測(cè)

2.1有限元模型和網(wǎng)格精度要求

前副車(chē)架用螺栓連接在車(chē)身上，分析時(shí)需考慮安裝點(diǎn)的安裝剛度.若直接約束副車(chē)架和車(chē)身的連接點(diǎn)，則車(chē)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)，導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際不符.考慮安裝點(diǎn)的安裝剛度有2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(chē)身模型，將副車(chē)架用梁?jiǎn)卧c車(chē)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(chē)架后橫梁的剛度，導(dǎo)致后橫梁應(yīng)力與實(shí)際不符.

采用MSC Nastran分析強(qiáng)度，模型由轉(zhuǎn)向機(jī)、前副車(chē)架和前部車(chē)身組成.殼單元采用CTRIA3和CQUAD4單元模擬；實(shí)體單元采用CHEXA和CTETRA單元模擬；螺栓采用CBar單元模擬，模型見(jiàn)圖2，節(jié)點(diǎn)數(shù)為446 151個(gè)，單元數(shù)為586 438個(gè).

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，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?chē)詈糜脀arsher法劃分.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(chē)身網(wǎng)格模型按一般精度控制，基礎(chǔ)尺寸按10 mm劃分，焊縫處的網(wǎng)格需特殊處理.[4]以T型焊和平行焊為例，具體要求有：

1）緊鄰焊縫節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的單元稱(chēng)為焊縫單元，其寬度尺寸嚴(yán)格控制在鈑金厚度的2～5倍，見(jiàn)圖3，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?chē)M量采用焊縫單元.

4）焊縫單元盡量不用三角形單元.

5）平行焊的焊縫連接單元只能定義1層.設(shè)母材厚度分別為T(mén)1和T2，則焊縫連接單元厚度T=max{T1，T2}，見(jiàn)圖4.

2.2強(qiáng)度工況設(shè)定

約束車(chē)身截?cái)嗝孀杂啥?，2和3；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)向拉桿內(nèi)點(diǎn)施加x，y和z等3向單位力和單位扭矩，共計(jì)66個(gè)工況.分別計(jì)算副車(chē)架在各工況單位載荷下的應(yīng)力，各加載點(diǎn)位置見(jiàn)圖5，除發(fā)動(dòng)機(jī)懸置點(diǎn)外，其他點(diǎn)左右對(duì)稱(chēng).

2.3疲勞分析

疲勞分析軟件FEMFAT中有豐富的焊縫數(shù)據(jù)，在不同的焊縫缺口因子修正下，焊縫的疲勞分析具有較高的精度.本文用到的焊縫有平行焊縫和V型焊等，根據(jù)副車(chē)架的實(shí)際焊接情況選擇正確的焊縫類(lèi)型[5]，定義焊縫節(jié)點(diǎn)、起始節(jié)點(diǎn)、終止節(jié)點(diǎn)和焊縫單元.焊縫的概念模型和實(shí)際模型見(jiàn)圖6，左側(cè)為焊縫的概念模型，右側(cè)為實(shí)際模型.

底盤(pán)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(chē)輪六分力，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)模型分解到各底盤(pán)結(jié)構(gòu)件.多體動(dòng)力學(xué)模型中的襯套特性和彈簧特性等直接影響底盤(pán)構(gòu)件的載荷，在建立多體動(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(chē)一致.[6]獲得前副車(chē)架的載荷后，與第2.2節(jié)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(chē)架的應(yīng)力歷程.圖7所示為下擺臂前安裝點(diǎn)的x，y和z等3向力，車(chē)輛在高強(qiáng)耐久路面上行駛時(shí)該點(diǎn)主要承受y和z向載荷.

FEMFAT中焊縫的耐久極限是母材耐久極限的插值函數(shù)，見(jiàn)表1.前副車(chē)架本體由鈑金焊接拼合而成，材料強(qiáng)度極限為285 MPa，疲勞極限為128 MPa，材料S-N曲線見(jiàn)圖8.工程師需根據(jù)主機(jī)廠的工藝條件水平進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，調(diào)整焊縫的耐久極限，使其與工藝水平匹配.將材料賦予前副車(chē)架本體，定義：生存率、平均應(yīng)力修正、表面粗糙度、焊縫缺口因子和板殼厚度因子等分析參數(shù)，提交分析計(jì)算.

2.4結(jié)果和優(yōu)化

在計(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(chē)架的壽命分布情況，見(jiàn)圖9，在副車(chē)架后橫梁上P1和P2處焊縫壽命較低，壽命分別為1 497和5 298 km，其原因?yàn)椋呵案避?chē)架后橫梁為避讓排氣管，中部向上凸起，在下擺臂的側(cè)向擠壓力或者拉伸力作用下，后橫梁中部向上或者向下變形，P1和P2局部焊縫容易應(yīng)力集中，導(dǎo)致壽命較低.

在整車(chē)高強(qiáng)耐久試驗(yàn)過(guò)程中，1號(hào)試驗(yàn)車(chē)P1和P2分別在2 542和13 085 km出現(xiàn)裂紋，2號(hào)試驗(yàn)車(chē)P1和P2分別在3 831和9 624 km出現(xiàn)裂紋.試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2，試驗(yàn)裂紋見(jiàn)圖10和11.由表2及圖10和11可知：P1較早出現(xiàn)裂紋，P2次之；由于材料和工藝的不一致性，各車(chē)架的破裂里程不同，但在可接受范圍內(nèi)；總體而言，副車(chē)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)和網(wǎng)格處理方式對(duì)副車(chē)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1.5 mm的加強(qiáng)板.該加強(qiáng)板與后橫梁底板用焊點(diǎn)連接.對(duì)局部焊縫進(jìn)行調(diào)整，使P1和P2不再是焊縫的起始點(diǎn)或者終止點(diǎn)[7]，優(yōu)化方案示意見(jiàn)圖12.

經(jīng)優(yōu)化，P1和P2局部壽命顯著提高，P1和P2點(diǎn)壽命分別為16 629和55 421 km，滿足16 000 km的耐久要求，壽命云圖見(jiàn)圖13.在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段的耐久試驗(yàn)中，未發(fā)現(xiàn)前副車(chē)架后橫梁焊縫開(kāi)裂.

3結(jié)束語(yǔ)

基于FEMFAT分析某車(chē)型前副車(chē)架的疲勞壽命，結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好.對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使車(chē)架疲勞壽命滿足耐久性要求.本文規(guī)范焊縫疲勞仿真的建模方法，可應(yīng)用于后續(xù)車(chē)型的車(chē)架設(shè)計(jì)和焊縫疲勞壽命預(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).[8]通過(guò)精確的焊縫模型、材料對(duì)標(biāo)、參數(shù)標(biāo)定以及準(zhǔn)確的載荷譜計(jì)算和制造工藝控制，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.

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣偉. 副車(chē)架有限元分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 北京汽車(chē)， 2010（2）： 13-15.

JIANG Wei. Finite element analysis and design optimization on sub frame[J]. Beijing Automotive Eng， 2010（2）： 13-15.

[2]岳譯新， 劉永強(qiáng)， 李曉峰. 基于主S-N曲線法的地鐵車(chē)體焊縫疲勞分析[J]. 機(jī)車(chē)電傳動(dòng)， 2012（5）： 79-81.

YUE Yixin， LIU Yongqiang， LI Xiaofeng. Weld line fatigue analysis of metro carbody based on master S-N curve method[J]. Electric Drive Locomotives， 2012（5）： 79-81.

[3]陳傳堯. 疲勞與斷裂[M]. 武漢： 華中科技大學(xué)出版社， 2003： 18-50.

[4]BS 7608：1993Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures[S].

[5]FERMER M， ANDREASSON M， FRODON B. Fatigue life prediction of MAG-welded thin sheet structures[EB/OL]. （1998-09-29）[2014-08-10]. http：//papers.sae.org/982311/.

[6]MARQUIS G. Fatigue testing and analysis using hot spot method[M]. Helsinki： VTT Publications， 1995： 45-66.

[7]凌雯， 晏金軍，唐旭濤， 等. 基于FEA的某新型副車(chē)架疲勞強(qiáng)度優(yōu)化[J]. 上海汽車(chē)， 2013（10）： 31-34.

LING Wen， YAN Jinjun， TANG Xutao， et al. A new sub frame fatigue strength optimization based on FEA[J]. Shanghai Auto， 2013（10）： 31-34.

[8]周張義， 李芾， 安琪， 等. 鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞強(qiáng)度分析技術(shù)的最新進(jìn)展[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)， 2009， 30（4）： 69-73.

ZHOU Zhangyi， LI Fu， AN Qi， et al. Latest development of fatigue strength analysis technology for welds in steel structures[J].China Railway Sci， 2009， 30（4）： 69-73.

（編輯于杰）