朱劍峰，張君媛

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206)

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汽車減振器支架焊縫疲勞壽命優(yōu)化設(shè)計*

朱劍峰1,2，張君媛1

(1.吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201206)

為解決某型汽車減振器支架在道路試驗中發(fā)生開裂的問題，通過整車多體動力學(xué)分析進行懸架多工況載荷提取，并結(jié)合焊縫S/N疲勞曲線進行減振器支架壽命分析。在對優(yōu)化前后的減振器支架進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)焊縫疲勞和強度對其進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計和實車路試驗證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的減振器支架在后續(xù)路試中未發(fā)生失效開裂，說明基于懸架多工況下的結(jié)構(gòu)焊縫疲勞和強度分析具有很好的可靠性和適用性。

減振器支架；焊縫；疲勞壽命

前言

汽車路試最常見的結(jié)構(gòu)失效往往出現(xiàn)在焊縫連接部位，如何定量地進行結(jié)構(gòu)疲勞可靠性驗證是目前國內(nèi)整車廠面臨的一個問題，因此開發(fā)準(zhǔn)確的焊縫疲勞曲線便變得十分迫切。此外，整車多體動力學(xué)下的多工況載荷分析越來越得到各大汽車廠商的重視，它可為汽車懸架結(jié)構(gòu)疲勞和強度分析驗證提供可靠的載荷輸入，最大限度降低汽車結(jié)構(gòu)件開發(fā)設(shè)計風(fēng)險。

文獻(xiàn)[1]中采用多體動力學(xué)方法提取了汽車下擺臂載荷值，獲得了其結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力分布，給出了下擺臂疲勞壽命一體化分析方法，并實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提高了疲勞壽命。文獻(xiàn)[2]中采用一個有效的焊縫分析方法，對某商用車焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命分析，取得了預(yù)期的效果。文獻(xiàn)[3]中建立了轎車后懸架多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，對后懸架系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的受力狀況進行了全面分析，通過對道路試驗數(shù)據(jù)和動態(tài)仿真數(shù)據(jù)的對比驗證了該方法的可靠性。

本文中開發(fā)了焊縫疲勞曲線，同時通過建立整車多體動力學(xué)模型提取懸架硬點處載荷，并建立減振器支架有限元模型進行疲勞分析和強度校核以再現(xiàn)路試失效模式，對改進后的減振器支架進行實車路試驗證，驗證多工況下的結(jié)構(gòu)焊縫疲勞和強度分析在底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中的適應(yīng)性和可靠性。

1 焊縫疲勞曲線測試

汽車焊接結(jié)構(gòu)件通常是薄板件，常見的失效往往出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)域，該區(qū)域的失效為焊縫疲勞失效。進行汽車焊縫疲勞性能分析的關(guān)鍵要素是獲取準(zhǔn)確的焊縫疲勞性能參數(shù)，目前汽車行業(yè)中常用的焊縫疲勞分析方法主要有等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力(S-N)法[4]和熱影響區(qū)(HAZ)法兩種，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法依據(jù)有限元分析結(jié)果提取焊縫節(jié)點力并轉(zhuǎn)換為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行壽命評估，具有無網(wǎng)格依賴性和計算結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點，故本文中將采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法設(shè)定焊縫疲勞性能參數(shù)。

由于本文中失效結(jié)構(gòu)件主要承受垂向載荷，因此焊縫疲勞測試主要為拉壓疲勞試驗，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的焊縫疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗設(shè)計的測試樣件如圖1所示。

圖1 垂直焊縫測試樣件

為測試焊縫樣件疲勞壽命參數(shù)，搭建相應(yīng)的焊縫疲勞性能臺架試驗，如圖2所示，其中應(yīng)包括剛性立柱、位移傳感器和MTS液壓作動缸。位移傳感器用以監(jiān)測焊縫是否失效，每組單個焊縫測試樣件的臺架試驗載荷大小分別為±4.5，±5.5和±6kN?？紤]到實際焊接工藝的影響，每組載荷各測試20件樣件，以監(jiān)測到肉眼可見焊縫裂紋時的試驗加載次數(shù)作為焊縫疲勞壽命值。

圖2 焊縫樣件疲勞性能臺架試驗

結(jié)構(gòu)疲勞壽命理論基礎(chǔ)是建立在統(tǒng)計學(xué)上的一門學(xué)科，在實際工程應(yīng)用中單純追求疲勞壽命的絕對值不太現(xiàn)實，疲勞壽命往往是一個統(tǒng)計值，具有一定的可靠性。根據(jù)圖1和圖2進行大量的焊縫樣件試驗并反復(fù)進行試驗數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)對標(biāo)后，焊接測試樣件厚度范圍為2～6mm之間各種板材，該厚度范圍基本包含了汽車底盤大部分結(jié)構(gòu)件[5]，擬合出最終具有一定可靠性的焊縫疲勞性能曲線，為后續(xù)失效問題的解決提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)，典型的焊縫疲勞分析流程[6]如圖3所示。

圖3 焊縫疲勞分析流程圖

2 懸架載荷預(yù)測

后懸架系統(tǒng)包括彈簧、減振器、扭桿梁后橋和襯套等，其數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 后懸架結(jié)構(gòu)示意圖

對底盤零件進行耐久性和強度評估的重要輸入是各連接點載荷，為準(zhǔn)確獲取懸架硬點載荷，根據(jù)圖4的后懸架數(shù)學(xué)模型和整車相關(guān)參數(shù)搭建后懸架多體動力學(xué)模型，如圖5所示，由于該車型后懸架為半獨立扭桿梁懸架，這里扭桿梁采用超單元進行等效處理。

圖5 后懸架多體動力學(xué)模型

依據(jù)美國GM公司對懸架工況的定義，前后懸架工況單獨計算，其后懸工況如表1所示，后減振器和后橋連接處載荷輸出如圖6所示。

表1 后懸工況

圖6 減振器支架載荷(整車坐標(biāo)系下Z向)

懸架工況分為耐久工況和強度工況，從圖6中的載荷值曲線可以看出，耐久工況最大值出現(xiàn)在工況4，載荷大小為83 274N，強度工況最大值出現(xiàn)在工況7，載荷大小為17 748N。

3 減振器支架路試失效

3.1 失效模式

在廣德試車場進行發(fā)展中國家道路試驗規(guī)范路試中，發(fā)現(xiàn)后懸減振器支架焊縫開裂并最終導(dǎo)致支架外套管斷裂，如圖7所示。焊縫熱影響區(qū)域的裂紋沿焊縫邊緣進行擴展直至斷裂，因此可以確定該失效為焊縫疲勞失效。此外，失效件存在一定的塑性變形，可初步判斷該支架結(jié)構(gòu)強度性能有一定的潛在風(fēng)險，后續(xù)分析將對其作進一步驗證說明。

圖7 減振器支架失效模式

3.2 失效原因初步分析

汽車路試中道路載荷復(fù)雜多變，減振器部件在汽車路試中失效比較常見，且以結(jié)構(gòu)疲勞耐久失效為主[7-8]。后懸減振器類似于二力桿，主要承受拉壓載荷，從圖6中可以看出，減振器支架呈現(xiàn)以受壓為主的狀態(tài)。支架剛度不足將引起其結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致焊接部位應(yīng)力集中，使焊縫疲勞壽命下降。支架剛度主要取決于結(jié)構(gòu)特征，這里主要為支架厚度。此外，在受到極限外載荷的情況下，支架的結(jié)構(gòu)強度將會對焊縫可靠性產(chǎn)生影響，強度不足的情況下結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生永久變形從而導(dǎo)致焊縫處平均應(yīng)力上升，疲勞壽命下降。

4 優(yōu)化方案選擇

4.1 焊縫疲勞耐久分析

進行焊縫疲勞分析首先要建立減振器支架有限元模型，焊縫采用殼單元模擬，套管用實體六面體網(wǎng)格進行劃分，支架內(nèi)部襯套采用RB3進行簡化處理，減振器頂端固定，完整的焊縫疲勞分析有限元模型如圖8所示。

圖8 焊縫疲勞分析有限元模型

考慮到結(jié)構(gòu)改進成本和可行性要求，要求優(yōu)化方案盡可能對后懸結(jié)構(gòu)整體影響最小，這里采取優(yōu)化支架厚度和材料對焊縫疲勞壽命改進程度進行分析，相應(yīng)的方案組合如表2所示。

表2 方案組合

根據(jù)圖6中載荷曲線提取減振器承載力并結(jié)合表2中的方案組合進行焊縫疲勞壽命分析，結(jié)果如表3所示(僅列出危險工況)。表中數(shù)值(life值)表示預(yù)測的壽命與設(shè)計要求的比值。

表3 焊縫疲勞壽命(life值)

由表3可見，焊縫疲勞壽命與支架厚度相關(guān)，與支架所選用材料牌號無關(guān)。支架采用厚度3.0mm情況下，工況3～工況5焊縫疲勞壽命小于1，不能滿足疲勞要求。支架厚度4.5mm情況下焊縫疲勞壽命最低為3.47個life值，滿足設(shè)計要求(考慮到實際中的焊縫疲勞壽命的離散性，工程中對于疲勞壽命失效問題改進通常要求優(yōu)化后的壽命相對于原設(shè)計提高至少10倍以上，本文中改進后焊縫最低壽命3.47相對于原設(shè)計最低壽命值0.22提高了約15倍且大于1，因此可以判斷4.5mm的改進方案是有效的)，原設(shè)計方案焊縫疲勞壽命云圖如圖9所示。

圖9 左輪跳工況下焊縫疲勞壽命云圖

從圖9中可以看出，原設(shè)計方案失效位置和路試失效位置一致，最低壽命為0.22個life值，基本與路試?yán)锍贪俜直认喈?dāng)，驗證了該方法的有效性。

4.2 結(jié)構(gòu)非線性強度分析

懸架結(jié)構(gòu)件強度性能是指汽車在受到極限外載荷的情況下仍然保持懸架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性能穩(wěn)定性的能力，對于減振器支架就是其結(jié)構(gòu)本身的抗變形能力。結(jié)構(gòu)非線性強度分析模型采用圖8的有限元模型，并考慮材料非線性和幾何非線性因素。采用極限載荷工況7，載荷大小為15 921N且施加在襯套彈性中心點，如圖10所示，根據(jù)表2中的方案進行強度分析后的結(jié)果如圖11所示。

圖10 減振器彈性中心點

圖11 強度工況下加載器支架應(yīng)力分布云圖及變形

由圖11可見，原設(shè)計方案存在較大的永久變形量，導(dǎo)致焊縫疲勞壽命大幅下降，支架厚度為4.5mm的情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對于3mm厚度有大幅降低。各方案組合在極限載荷下的結(jié)構(gòu)變形量如圖12所示。

圖12 支架變形曲線(工況15→工況7)

由圖12可見，采用15#鋼3.0mm厚度支架的情況下，支架無法承受最大壓力15 291N(只加載到最大載荷的95%便失穩(wěn))，變形過大導(dǎo)致直接失效；采用20#鋼3.0mm厚度支架的情況下，極限工況下變形量減少至1mm，但應(yīng)力值沒有明顯改善(從圖11中可以看出，失效處最大應(yīng)力值從555減少至526MPa)；厚度為4.5mm的支架(15#鋼、20#鋼)均能滿足強度和疲勞要求，因此改進方案可以采用該厚度支架來提高焊縫疲勞壽命并改善其結(jié)構(gòu)強度性能，后續(xù)路試中支架未發(fā)生失效開裂，驗證了改進方案的有效性。

5 結(jié)論

(1) 通過焊縫測試樣件建立了焊縫疲勞分析曲線，為疲勞分析提供了定量指標(biāo)，確保了后續(xù)改進方案的可靠性。

(2) 建立了后懸架多體動力學(xué)模型，給焊縫疲勞分析和結(jié)構(gòu)強度驗證提供了可靠的載荷輸入，保證了分析結(jié)果的有效性。

(3) 采用這種基于實測焊縫疲勞曲線和懸架載荷預(yù)測結(jié)合的方法，將有助于懸架結(jié)構(gòu)件的準(zhǔn)確驗證，為懸架結(jié)構(gòu)件的失效改進和新車型懸架開發(fā)驗證提供了一個全新的設(shè)計思路。

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Optimal Design of Fatigue Life for the Welds in Vehicle Shock Absorber Bracket

Zhu Jianfeng1,2& Zhang Junyuan1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd.,Shanghai201206

To solve the cracking problem of the shock absorber bracket of a vehicle happened in road test, its loads in several conditions are extracted by vehicle multi-body dynamics analysis and a service life analysis of shock absorber bracket is conducted based on the S/N fatigue curve of welds. On the basis of analyses on shock absorber bracket before and after optimization, a modification design of its structure is carried out, which is then verified by real vehicle road test. The results show that the shock absorber bracket optimized does not crack in subsequent road test, demonstrating good reliability and applicability of multi-condition fatigue and strength analyses on the welds of suspension.

shock absorber; welds; fatigue life

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.012

*國家自然科學(xué)基金(51375203)資助。

朱劍峰，博士，E-mail:zhujianfeng@jlu.edu.cn。

原稿收到日期為2016年6月20日，修改稿收到日期為2016年8月12日。