基于有限元分析的扭力梁后桥疲劳寿命研究
时间：2023-06-18 20:20:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
栾世杰
（200093 上海 上海出版印刷高等专科学校）
汽车扭力梁后桥作为底盘重要的承载件和传力件，其安全性和可靠性十分重要。车辆行驶过程中，扭力梁后桥承受较大的交变载荷，易发生疲劳破坏，其性能直接影响汽车有效使用寿命[1-3]。扭力梁后桥也是汽车后驱动轴组的重要组成部分，负责车辆动力传递，对汽车整体安全起着不可或缺的作用。因此对扭力梁后桥进行耐久分析与寿命预测具有重要意义。在扭力梁后桥的初始设计阶段对其进行疲劳分析和试验研究，试验结果不仅可直接用于扭力梁后桥的开发和改进，缩短设计周期、节约成本[4-5]，也可为其他汽车零部件的开发设计提供相应的参考。
近年来，在扭力梁后桥疲劳寿命预估方面，国内外汽车企业、高校、研究所均有研究。罗明军等[6]采用模态试验法对扭力梁后桥进行分析，获取其振动特性，研究扭力梁结构的疲劳现象。李成林[7]采用准静态疲劳分析法对某型牵引车车架疲劳寿命进行分析，通过优化实现了车架轻量化。陈立杰等[8]在进行驱动桥建模时，采用主观调整方式建立简单的强度、刚度仿真模型。
有限元疲劳分析法在汽车零部件的疲劳寿命分析中起到非常重要的作用，本文基于有限元分析法对某商用车扭力梁后桥进行疲劳寿命研究，为扭力梁后桥零部件的改进和设计提供参考。为了对扭力梁后桥疲劳寿命进行准确的预测，需要建立零件精确的有限元模型、可靠的材料疲劳数据以及采集准确的实际运行工况下的道路输入载荷。本文以某商用车扭力梁后桥为对象，通过CATIA 三维建模软件绘制扭力梁后桥的三维图，应用HyperMesh 软件进行扭力梁后桥有限元建模和仿真，用疲劳寿命分析软件nCode 计算出扭力梁后桥的损伤特性，基于仿真和疲劳实验开展汽车扭力梁后桥疲劳寿命研究，并对实际扭力梁后桥进行随机道路载荷下试样疲劳寿命预测进行验证，最终验证基于有限元分析扭力梁后桥疲劳寿命预测的合理性。
汽车扭力梁后桥主要由横梁、纵臂、弹簧安装支座、减震器支座、法兰盘、套筒、轮毂安装支座等零件焊接装配而成[9]，如图1 所示。横梁开口朝向车身前方，减震器支架和螺旋弹簧分开；
车身和弹簧座通过螺旋弹簧上下端利用橡胶垫连接；
减震器的上下两端分别通过橡胶衬套与车身和扭力梁后桥的减震器支架连接[10]。扭力梁后桥的主要材料为SAPH440 钢[11-13]，SAPH440 钢的化学成分如表1 所示，抗拉强度为443 MPa，断面延伸率为38.5%，屈服强度为350 MPa，均满足行业标准。
图1 扭力梁后桥实物Fig.1 Structure of torsion-beam rear axle
表1 SAPH440 钢的化学成分Tab.1 Chemical component of SAPH440 steel
2.1 有限元分析工具
HyperWorks 是一个高性能、开放式有限单元后处理器，主要用于模型处理。它集成设计与分析所需各种工具，广泛应用于汽车、航天等行业。
2.2 有限元模型的建立
采用CATIA 软件建立汽车扭力梁后桥几何模型，导入HyperWorks 的HyperMesh 模块中，分析其应力分布情况和疲劳失效位置[14]。
（1）网格划分。网格划分占扭力梁后桥有限元仿真过程70%以上的时间[15]，合理划分网格能提高整体仿真计算效率和仿真结果的准确性。
（2）节点和单元数量。合理选择节点和单元数量在有限元建模中十分重要。节点和单元数量过多，不仅产生局部应力集中，而且使计算过程过长；
节点和单元数量过少，计算结果会产生偏差。
（3）网格体系疏密。在扭力梁后桥的有限元模型中，各区域网格大小不一，重要区域网格尺寸的选取需要精密一些，非重要区域可以选择网格单元大尺寸，减小计算压力。
（4）网格单元质量。网格单元质量要满足行业标准[16]，保证网格单元体对原扭力梁后桥几何模型的贴合度，避免出现失真情况。
将后桥有限元模型导入HyperMesh，经提取表面、抽取中面、几何清理等前处理后对其进行网格划分，网格大小为5 mm，单元主要为四边形，网格划分后最终将模型划分为58 822 个节点和54 450个单元。扭力梁后桥的三维模型如图2 所示。
图2 扭力梁后桥有限元模型Fig.2 Finite element model of torsion-beam rear axle
3.1 静强度分析结果
为确定扭力梁后桥的危险点和危险截面，利用有限元分析软件模拟实际行驶中扭力梁后桥可能遇到的工况，测量和计算其在不同工况下的应变分布，这是扭力梁后桥道路载荷试验应变时间历程测点选择的主要依据。以制动工况应力云图为例，参见如图3，其他工况载荷及加载位置如表2 所示。
图3 制动工况应力云图Fig.3 Stress nephogram under braking condition
表2 各种工况静强度分析Tab.2 Static strength analysis under various working conditions
3.2 应变信号测点的确定
扭力梁后桥实测载荷信号的采集分为扭力梁后桥轴头六分力信号和危险位置的应变信号2 种。六分力信号的采集使用测量轮，可测量汽车行驶过程中车轮3 个方向受到的力和扭矩以及车轮的速度和转角。扭力梁后桥仿真寿命计算需要两边车轮轴头上6 个方向的分力作为载荷输入，需要使用测量轮在扭力梁后桥道路载荷测量试验时测出左右两侧车轮的6 个方向的分力。应变信号测点的确定以静强度分析结果为主，此外还需采集某些对零件耐久性有影响的测点以及由用户提出的附加测点。根据用户实际使用情况的反馈和经验数据确定的测点位置，并通过由用户反馈的实际使用情况对测点位置不断进行修正，最终选取了16 个测点（2 个应变花）共计20 个通道，测点的布置如图4 所示。
图4 应变片的布置Fig.4 Arrangement of strain gauges
3.3 载荷谱的采集
为了在多轴耦合试验机上再现汽车扭力梁后桥在各种路况下的工作载荷，必须获取其在实际运行过程中所受到的各种激励信号，采集各种道路载荷谱。本次扭力梁后桥工作载荷谱的采集是在某试车场的SVP 道路上进行的。SVP 道路每8 圈为一个循环，每圈2.6 km，共16.8 km。采样频率为500 Hz，车辆的行驶车速和行驶方式按照某试车场的实验规范进行。将采集到的信号经过信号修正、信号剪切、损伤比较、信号连接和重新采样这一系列处理之后，生成最终疲劳寿命计算所需要。
4.1 理论疲劳寿命预测
通过对应变信号的伪损伤进行比较，从而对比不同位置载荷的强度，确定容易疲劳失效的位置。本文采用系统预设的低碳钢S-N曲线计算伪损伤。从图5 可以明显地看出，右侧加强筋和扭力梁后桥本体焊缝处对应的E_HAR1 通道的损伤值要比其他测点高，说明这个点是最容易疲劳失效的地方。
图5 伪损伤比较Fig.5 Pseudo-damage analysis and comparison
由疲劳的相关理论可知，失效率先发生在损伤最大的地方，故选取E-HAR1 通道对应的应变时间历程进行寿命计算，对其进行雨流计数后，将其压缩成8 级应力谱，如表3 所示。
表3 8 级载荷谱Tab.3 Eighth order load spectrum
根据迈纳线性损伤准则，当某一载荷等级作用的次数与其对应的循环数比值为1 时，材料就会发生疲劳失效。
在计算损伤时，第8 个载荷级低于材料无限寿命所对应的载荷，可以视为无效载荷，认为其对扭力梁后桥不产生损伤，对扭力梁后桥产生疲劳损伤的是前7 个载荷级。扭力梁后桥S-N 曲线表达式为：
经过计算，E_HAR1 通道循环一次产生的损伤D=0.002 674 6，所以扭力梁后桥的寿命循环数为N=1/D=375 次。
4.2 仿真寿命预测
nCode 计算寿命实际上是基于准静态叠加法，准静态法的原理是将结构在单位载荷下的静态应力与时域载荷谱进行线性组合得到结构的时域应力历程。采用nCode 传统的五框图对扭力梁后桥进行计算，如图6 所示。使用nCode 中的S-N 分析模块进行分析[17]。将有限元静强度分析结果，采集到的车轮轴头六分力信号导入其中。在S-N 分析模块中将有限元模型中的工况与六分力信号进行匹配，生成材料的S-N 曲线，仿真结果显示扭力梁后桥寿命最小处位于右侧加强筋与扭力梁后桥横梁的焊缝处，仿真寿命为453 次。该位置与E_HAR1通道所处的位置一致，仿真结果如图7 所示。
图6 nCode 计算流程Fig.6 nCode calculation process
图7 扭力梁后桥的仿真疲劳寿命Fig.7 Simulated fatigue life of torsion-beam rear axle
4.3 台架试验验证
为验证仿真分析结果的准确性，采用虚拟建模分析和台架试验对比验证的方法。先对汽车扭力梁后桥进行道路模拟实验，使用MTS 329 多轴耦合试验机，车轮六分力信号作为目标信号，通过白噪声序列对其加载，求出系统频率响应函数，实现对目标信号的加载。选取3 个扭力梁后桥进行台架疲劳实验，当产生10 mm裂纹判定为失效，如表4所示。
表4 扭力梁后桥随机载荷谱下疲劳实验Tab.4 Fatigue test verification of torsion-beam rear axle under random load spectrum
由上述实验结果可知，扭力梁后桥断裂发生在横梁本体和加强筋焊接连接位置，如图8 所示，与仿真结果的断裂位置基本吻合。试件的台架模拟实际平均循环次数为481 次，仿真计算结果与台架寿命均值相差仅为5.83%。
图8 扭力梁后桥断裂位置Fig.8 Fracture position of torsion beam rear axle
利用已经采集到的实车道路载荷谱结合有限元仿真计算的结果对扭力梁后桥进行疲劳寿命预测，寿命最小点的位置对应所有应变测点中损伤最大的地方，并且与仿真结果一致，同时与台架试验的损伤结果吻合，说明该仿真方法可以准确预测扭力梁后桥的寿命。
通过对汽车扭力梁后桥的有限元计算和疲劳寿命预测，更加准确和直观地了解扭力梁后桥部件的疲劳寿命，为扭力梁后桥零部件的改进提供了依据，也可为其他汽车零部件的开发提供参考。
猜你喜欢 扭力测点寿命 液压支架整机静强度试验及等效应力分析机械设计与制造(2023年2期)2023-02-27一种橡胶扭力半轴组件橡塑技术与装备(2022年6期)2022-06-02人类寿命极限应在120～150岁之间中老年保健(2021年8期)2021-12-02基于CATIA的汽车测点批量开发的研究与应用汽车实用技术(2021年10期)2021-06-04仓鼠的寿命知多少作文评点报·低幼版(2020年3期)2020-02-12某废钢渣车间落锤冲击振动特性研究中国环保产业(2019年10期)2019-11-21马烈光养生之悟 自静其心延寿命华人时刊(2018年17期)2018-12-07人类正常寿命为175岁奥秘(2017年12期)2017-07-04控制直流电动工具扭力输出的方法电动工具(2016年6期)2016-12-22高速履带车辆不同位置扭力轴刚度变化规律研究兵器装备工程学报(2015年8期)2015-05-06
