梅一丹，薛仁杰，郁呈祥，施宇峰，熊文文

(中汽研汽車零部件檢驗(yàn)中心(寧波)有限公司，浙江寧波 315104)

0 引言

一般車輛的懸架零部件損壞大多是由于結(jié)構(gòu)疲勞失效引起的[1]。在懸架零部件設(shè)計(jì)過程中，要對(duì)零件的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行耐久性分析。而懸架零部件耐久性驗(yàn)證方法主要有：整車道路試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室道路模擬試驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)室道路模擬試驗(yàn)又分為零部件的單獨(dú)臺(tái)架試驗(yàn)和路譜迭代整體臺(tái)架試驗(yàn)。單獨(dú)臺(tái)架試驗(yàn)是用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)工況來模擬等效試驗(yàn)場路試對(duì)零部件所造成的疲勞損傷，其優(yōu)點(diǎn)在于針對(duì)性強(qiáng)、周期短等。

在后懸架的結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)因具有質(zhì)量輕[2]、成本相對(duì)低、車輛布置方便等特性而被廣泛采用。扭轉(zhuǎn)梁總成一般由橫梁、橫梁加強(qiáng)板、減振器支架、彈簧座、套管、襯套、法蘭板、縱臂內(nèi)外板、穩(wěn)定桿等組成，詳見圖1。

圖1 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)示意

1 扭轉(zhuǎn)梁耐久試驗(yàn)方法

扭轉(zhuǎn)梁的主要功能是在后輪與車架之間傳遞力和力矩，其結(jié)構(gòu)盡管簡單，但是受力情況復(fù)雜，左右輪心作用相互間影響。扭轉(zhuǎn)梁疲勞耐久試驗(yàn)典型工況有扭轉(zhuǎn)疲勞工況、縱向疲勞耐久工況、側(cè)向力疲勞耐久工況，詳見表1。

表1 某扭轉(zhuǎn)梁疲勞耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

其中扭轉(zhuǎn)疲勞工況是扭轉(zhuǎn)梁耐久試驗(yàn)中條件最苛刻、受力變化最大的一項(xiàng)試驗(yàn)，其加載示意圖見圖2。試驗(yàn)過程中重點(diǎn)關(guān)注的易出現(xiàn)裂紋區(qū)域，見圖3。

圖2 扭轉(zhuǎn)疲勞工況示意

圖3 扭轉(zhuǎn)疲勞重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域

2 開裂問題分析

某扭轉(zhuǎn)梁在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到85 200次時(shí)，橫梁右加強(qiáng)板的點(diǎn)A出現(xiàn)裂紋，進(jìn)行到93 000次時(shí)，橫梁右加強(qiáng)板的點(diǎn)B出現(xiàn)裂紋，見圖4。該樣品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求在扭轉(zhuǎn)疲勞工況下，耐久次數(shù)要達(dá)到50萬次，故不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。初步分析該橫梁加強(qiáng)板強(qiáng)度不足，橫梁右加強(qiáng)板的點(diǎn)B在點(diǎn)A出現(xiàn)裂紋后，迅速開裂，因?yàn)辄c(diǎn)A開裂后，點(diǎn)B的應(yīng)力急劇上升。

圖4 扭轉(zhuǎn)梁裂紋位置示意

3 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 有限元建模

扭轉(zhuǎn)梁采用CATIA建模，主要組成部件的材料牌號(hào)及厚度信息見表2，材料物理性能參數(shù)見表3。扭轉(zhuǎn)梁總成有限元數(shù)模使用HyperMesh來構(gòu)建。穩(wěn)定桿使用六面體實(shí)體單元。扭轉(zhuǎn)梁的其他零件采用殼體單元[3]，其中三角形單元的數(shù)量少于單元總數(shù)量的1%。應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)位置不能有三角形單元。焊縫用殼單元模擬，采用Volvo方法建模。單元特征尺寸為 5 mm，模型單元數(shù)量為16.5萬。分析中考慮了結(jié)構(gòu)變形的幾何非線性。

表2 扭轉(zhuǎn)梁零件牌號(hào)及厚度參數(shù)

表3 扭轉(zhuǎn)梁材料物理性能參數(shù)

使用ABAQUS做求解器，對(duì)扭轉(zhuǎn)疲勞工況進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析[4]，得到后處理結(jié)果。

通過分析，在扭轉(zhuǎn)疲勞工況下點(diǎn)A最大應(yīng)力264 MPa，點(diǎn)B最大應(yīng)力231 MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化

從圖5可以看出，橫梁加強(qiáng)板上A、B兩點(diǎn)局部應(yīng)力非常大。結(jié)構(gòu)局部疲勞開裂導(dǎo)致產(chǎn)品整體失效，需要對(duì)橫梁加強(qiáng)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化，避免結(jié)構(gòu)上局部應(yīng)力過分集中，盡量使結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力比較均勻[5]，從而使結(jié)構(gòu)不同位置的疲勞壽命比較均衡。

圖5 失效部件最大應(yīng)力示意

優(yōu)化措施為：減小橫梁加強(qiáng)板開口長度，調(diào)整加強(qiáng)板開口處切邊過渡弧段的曲率半徑，防止應(yīng)力集中，達(dá)到增加結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的目的。橫梁加強(qiáng)板開口處切邊過渡弧段經(jīng)過了若干次反復(fù)的細(xì)微調(diào)整與分析驗(yàn)算，調(diào)整橫梁加強(qiáng)板的開口處的切邊形狀。最終橫梁加強(qiáng)板優(yōu)化方案如圖6所示。

圖6 橫梁加強(qiáng)板優(yōu)化后結(jié)構(gòu)示意

優(yōu)化后的橫梁加強(qiáng)板開口邊處應(yīng)力相對(duì)較大，但應(yīng)力大小比較均勻。仿真分析后點(diǎn)C的最大應(yīng)力為195 MPa，見圖7。

圖7 點(diǎn)C最大應(yīng)力示意

針對(duì)修改后的扭轉(zhuǎn)梁，分析縱向疲勞工況和側(cè)向力疲勞工況的最大應(yīng)力狀況，詳見圖8、圖9?？梢姡嚎v向疲勞工況下，最大應(yīng)力為234 MPa；側(cè)向力疲勞工況下，最大應(yīng)力為236 MPa。橫梁加強(qiáng)板優(yōu)化后幾乎不對(duì)這兩種工況的扭轉(zhuǎn)梁壽命產(chǎn)生影響。

圖8 縱向疲勞工況最大應(yīng)力點(diǎn)

圖9 側(cè)向力疲勞工況最大應(yīng)力點(diǎn)

4 疲勞壽命驗(yàn)證

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

制作優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)梁，分別進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。

扭轉(zhuǎn)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)照片見圖10，優(yōu)化后的扭轉(zhuǎn)梁在扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到630 000次時(shí)橫梁加強(qiáng)板出現(xiàn)裂紋，見圖11，滿足50萬次疲勞試驗(yàn)要求?？v向疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到180 000次時(shí)縱臂外板出現(xiàn)裂紋，滿足12萬次疲勞試驗(yàn)要求。側(cè)向力疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到95 000次未出現(xiàn)裂紋。

圖10 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)臺(tái)架照片

圖11 優(yōu)化后的橫梁加強(qiáng)板裂紋示意

該方案成本低，僅對(duì)現(xiàn)有加強(qiáng)板的模具進(jìn)行更改，在產(chǎn)品開發(fā)后期更具有可行性。后期進(jìn)行的整車道路試驗(yàn)中，扭轉(zhuǎn)梁未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，證實(shí)該結(jié)構(gòu)優(yōu)化可行。

4.2 材料S-N曲線在疲勞壽命試驗(yàn)中的應(yīng)用

結(jié)合文中的疲勞試驗(yàn)結(jié)果以及應(yīng)力分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以積累材料的疲勞性能數(shù)據(jù)，初步繪制出QStE420MT材料的S-N曲線。具體計(jì)算如下：在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，以壽命為橫軸，以應(yīng)力幅值為縱軸，在該坐標(biāo)系上取兩點(diǎn)(即是優(yōu)化前點(diǎn)A與優(yōu)化后點(diǎn)C的疲勞壽命以及對(duì)應(yīng)的計(jì)算應(yīng)力)，一點(diǎn)為(85 200,264)，另一點(diǎn)為(630 000,195)，將這兩點(diǎn)直線連接得到近似的S-N曲線。分析縱向疲勞工況最大應(yīng)力234 MPa，出現(xiàn)在縱臂外板處，因材料相同，按照S-N曲線預(yù)測疲勞壽命為17.8萬次，跟實(shí)際試驗(yàn)的18萬次出現(xiàn)裂紋試驗(yàn)結(jié)果非常接近。出現(xiàn)差異的原因是因風(fēng)險(xiǎn)位置位于材料的非邊界區(qū)域，而材料的非邊界區(qū)域比邊緣有更好的疲勞性能。

Miner準(zhǔn)則給出了材料疲勞損傷線性累計(jì)的一個(gè)假設(shè)。即:(1)經(jīng)過特定載荷的疲勞循環(huán)加載后，材料中會(huì)出現(xiàn)損傷(對(duì)于單一幅值的載荷而言，損傷=1/疲勞壽命)。當(dāng)損傷達(dá)到1的時(shí)候，材料疲勞失效，損傷小于1，材料尚未疲勞失效；(2)材料承受不同幅值的疲勞載荷時(shí)，材料的損傷等于各種載荷分別產(chǎn)生的損傷之和。

當(dāng)應(yīng)力幅值為264 MPa時(shí)(大載荷)，材料的壽命為85 200次，即每經(jīng)過一個(gè)載荷循環(huán)，材料的損傷為1/85 200(經(jīng)過85 200次，損傷達(dá)到1，材料疲勞失效)；應(yīng)力幅值為195 MPa時(shí)(小載荷)，壽命為630 000次，即每經(jīng)過一個(gè)載荷循環(huán)，材料的損傷為1/630 000(經(jīng)過630 000次，損傷達(dá)到1，材料疲勞失效)；如果經(jīng)過5萬次大載荷和6萬次小載荷，損傷為50 000/85 200+60 000/630 000<1，未疲勞失效。同理，85 200次大載荷與630 000次小載荷產(chǎn)生的疲勞損傷是等效的。可見在大載荷工況下，試驗(yàn)的次數(shù)少很多，可以節(jié)省大量試驗(yàn)時(shí)間與資源。

根據(jù)S-N曲線與Miner準(zhǔn)則，可得到非常實(shí)用的結(jié)果。如可得出任意恒定幅值載荷對(duì)應(yīng)的材料疲勞壽命；可通過損傷疊加，得到幅值變化的載荷產(chǎn)生的疲勞累計(jì)損傷；可以根據(jù)損傷相同的原理，制定疲勞壽命加速方案(變小載荷為大載荷，試驗(yàn)次數(shù)相應(yīng)減小)。

5 結(jié)論

采用有限元計(jì)算方法，準(zhǔn)確地反映了該扭轉(zhuǎn)梁在扭轉(zhuǎn)疲勞耐久試驗(yàn)中橫梁加強(qiáng)板開裂現(xiàn)象的實(shí)際問題點(diǎn)，并且通過計(jì)算尋找到解決問題的最佳方案，及時(shí)、準(zhǔn)確地找出問題產(chǎn)生原因，從而有效地針對(duì)問題采取措施。

在后續(xù)分析中，當(dāng)類似結(jié)構(gòu)使用相同的材料時(shí)，根據(jù)材料S-N曲線及結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，則可預(yù)測該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。