文新海+邱星

【摘 要】本文闡述了結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命的基本原理，及基于激勵(lì)譜的振動(dòng)疲勞壽命分析的方法和流程?；谀耻囆湍蛩叵渲Ъ苷駝?dòng)疲勞失效，采集了振動(dòng)加速度并通過FFT轉(zhuǎn)換得到了振動(dòng)功率譜密度，應(yīng)用于動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性分析及隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析，還原了故障現(xiàn)象并揭示了結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理。改進(jìn)方案振動(dòng)疲勞壽命提升效果的CAE分析結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明本文采用的振動(dòng)疲勞壽命分析方法具有較高的可靠性。

【關(guān)鍵詞】頻率響應(yīng)特性；振動(dòng)疲勞；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

汽車行駛中路面的隨機(jī)激勵(lì)會(huì)引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)，路試和用戶反饋出的汽車構(gòu)件及焊縫開裂損壞的情況中，大部分是疲勞破壞[1]。而損傷的累積效應(yīng)是產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因，因此結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能至關(guān)重要，特別是對(duì)路面激勵(lì)比較敏感的構(gòu)件在前期開發(fā)過程中進(jìn)行強(qiáng)度及疲勞壽命的分析顯得尤為重要，及時(shí)為產(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。傳統(tǒng)的單一靜力學(xué)較難全面且準(zhǔn)確分析其力學(xué)性能，本文對(duì)振動(dòng)激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)應(yīng)力及振動(dòng)疲勞壽命的分析思路和方法進(jìn)行研究，嘗試提供一種更準(zhǔn)確的疲勞壽命分析方法。

1 振動(dòng)疲勞分析理論

1.1 疲勞累積損傷理論

2.2 振動(dòng)疲勞分析的思路及流程

本文結(jié)合耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的尿素箱支架振動(dòng)疲勞故障，通過摸索分析，總結(jié)了針對(duì)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命的分析思路和流程（如圖1）。

3 振動(dòng)頻率響應(yīng)分析

某車型在進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，多臺(tái)車在耐久試驗(yàn)完成30%左右出現(xiàn)尿素箱支架開裂（如圖2）。從故障現(xiàn)象初步判定該支架開裂是由于路面振動(dòng)激勵(lì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力損傷累積而造成振動(dòng)疲勞失效。

3.1 載荷及約束定義

對(duì)頻率響應(yīng)分析的有限元模型進(jìn)行處理，將支架在縱梁上的固定位置采取全約束，并在與車架連接的螺栓孔施加振動(dòng)加速度作為激勵(lì)，如圖3所示：

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及頻響特性分析

對(duì)支架提出優(yōu)化并進(jìn)行強(qiáng)度頻率響應(yīng)分析。延長圓管固定板，與縱向支撐板焊接連接，如圖4。

頻率響應(yīng)分析應(yīng)力云圖如圖5顯示：原方案最大Mises 應(yīng)力389.2MPa。優(yōu)化方案最大Mises應(yīng)力236.1MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有明顯改善。

4 振動(dòng)疲勞壽命分析

對(duì)支架在長波路、短波路、直搓板路、石塊路等十余種路面循環(huán)激勵(lì)載荷作用下的耐久性進(jìn)行振動(dòng)疲勞壽命分析，在確保90%存活率的條件下，采用Goodman方法來修正分析結(jié)果。

4.1 PSD載荷及材料特性

運(yùn)用nCode對(duì)支架原方案及改進(jìn)方案進(jìn)行振動(dòng)疲勞壽命分析，將實(shí)測(cè)的加速度時(shí)域載荷轉(zhuǎn)換PSD作為輸入載荷。（如圖6）

在nCode材料庫中輸入支架材料Q345的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量，擬合出材料的S-N曲線，如圖7所示：

4.2 分析結(jié)果

分析結(jié)果圖（8）顯示：原始方案疲勞分析疲勞壽命約16.2萬次，改進(jìn)方案疲勞壽命約119.6萬次，疲勞壽命提升約6倍。

5 臺(tái)架試驗(yàn)及耐久試驗(yàn)

對(duì)原方案及優(yōu)化方案進(jìn)行電子振動(dòng)臺(tái)臺(tái)架試驗(yàn)，本試驗(yàn)以路試過程中采集的各路面振動(dòng)功率譜密度為激勵(lì)，驗(yàn)證支架的振動(dòng)疲勞壽命（如圖9）。原結(jié)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行了18h出現(xiàn)斷裂，改進(jìn)方案進(jìn)行了102h斷裂，斷裂位置與路面耐久試驗(yàn)完全一致。臺(tái)架試驗(yàn)表明改進(jìn)方案的疲勞壽命較原方案提升了約4.7倍，與有限元分析結(jié)果較為接近。經(jīng)里程換算，改進(jìn)方案有信心完成整車道路耐久試驗(yàn)。

在Re_DV整車耐久45000km，尿素箱支架未發(fā)生任何故障現(xiàn)象。說明了疲勞分析準(zhǔn)確地預(yù)估了頻響分析優(yōu)化的尿素箱支架的疲勞壽命，從而證實(shí)了頻率響應(yīng)分析與振動(dòng)疲勞分析相結(jié)合分析方法的可行性、可靠性。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)某車型典型振動(dòng)件尿素箱支架在45000Km耐久試驗(yàn)中斷裂的現(xiàn)象，提出了模態(tài)頻率響應(yīng)與振動(dòng)疲勞壽命預(yù)估相結(jié)合的分析思路和方法，揭示了故障的失效機(jī)理并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向。改進(jìn)方案較原方案振動(dòng)疲勞壽命提升效果的有限元分析結(jié)果與電子振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合，保證了Re_DV整車耐久試驗(yàn)的順利完成。結(jié)果表明，本文所采用的分析方法來評(píng)定振動(dòng)激勵(lì)環(huán)境下結(jié)構(gòu)的耐久可靠性是合理的，并對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、節(jié)約開發(fā)成本及解決同類問題具有借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint