副车架结构疲劳耐久仿真分析

杨劲飞，宋豪，何正轰，商乃钜

副车架结构疲劳耐久仿真分析

杨劲飞，宋豪，何正轰，商乃钜

（广西艾盛创制科技有限公司，广西 柳州 545000）

某车企对正在研发的某车型进行可靠性道路耐久试验过程中，发现后副车架某位置发生开裂，开裂的产生影响了可靠耐久性能评估。为快速解决开裂问题，利用有限元方法对副车架进行仿真。主要思路：将试验场采集得到的路面激励信号加载到在多体动力学悬架模型中，然后提取出硬点动态载荷，最后将动载荷作为耐久仿真输入，对副车架进行结构疲劳耐久仿真分析，根据仿真结果对开裂位置进行原因分析，并提出有效性参考建议，为提高副车架寿命提供有利的数据支持。

副车架；开裂；有限元；动力学；耐久仿真

引言

副车架作为汽车底盘重要零件，在车辆日常行驶过程中，受到来自路面载荷的直接作用，副车架结构设计的合理性以及在恶劣工况作用下疲劳耐久寿命的设计，是所有汽车企业以及用户所关心的重要问题。传统车企对副车架开发，都需要对其进行结构性能仿真评估以及疲劳耐久性能试验。但是传统方法往往需要对多台同款样车配套副车架在试验场上进行为期3个月左右的道路耐久试验，该方法对车型开发周期有着较长的要求[1]。

为缩短开发周期，节约开发成本，结合有限元仿真软件进行疲劳耐久仿真评估，能够大大节约开发时间，有效促进车型生产开发，并能够针对开发过程问题进行快速解决。本次案例介绍结合试验场路试工况的副车架结构疲劳耐久仿真方法在副车架开裂问题上的解决思路，为后期相同问题积累经验。

1 疲劳累计损伤理论

Miner法则是较早提出的对机械结构进行疲劳耐久性能评价的方法。在汽车开发过程中，疲劳耐久寿命计算是较为重要的性能仿真验证阶段。为了得到更为准确的疲劳寿命计算值，在疲劳寿命仿真计算前需要对载荷进行特定的处理，目前较多情况下，对于疲劳载荷的处理方法都是在较早提出的Miner法则线性损伤积累上进行，根据该损伤法则的本质思路，我们可以得到以下的情形：零件在外界作用力循环作用下，零件吸收能量达到最大值产生疲劳开裂，若试样加载历史所产生的应力水平为1,2,…,σ，各应力水平下的疲劳寿命相应为1,2,…,N，各应力水平下的循环次数相应为1,2,…,n[2]。则Miner线性损伤表达式为：

式中：D为总的损伤量；l为变幅载荷的应力水平等级；n为第i级载荷的循环次数；N为第i级载荷下的疲劳寿命。

由于在现实情况中，零件受到外力作用大部分都为交变循环的载荷情况较多，受到横幅载荷作用的情况较少。Miner法则在疲劳理论中被认为是偏风险的方法，因为其没有考虑到载荷加载顺序对结构寿命的影响，后期一些学者在此基础上，提出了在不同载荷水平作用下循环比和等效损伤循环比的关系方程，从而提出了非线性损伤准则，但该准则在计算迭代上时间花费较长[3]。为解决该问题，曼森和哈尔德福提出了双线性损伤准则，并得到较好推广。

2 问题提出

某企业研发某款新车后副车架时，将副车架在实车上进行安装并进行可靠性道路耐久试验，试验目标里程为4万公里，在车辆进行25600公里时，发现后副车架减振器上安装点位置吊耳存在裂纹。裂纹如图1：

图1 副车架开裂位置

对开裂副车架进行实地考察，副车架开裂钣金面无起皱、划痕等制造问题；副车架吊耳与副车架纵臂梁焊缝焊接处无毛边、缺口、焊接烧蚀问题；综合其他因素评估，判断本次副车架样件开裂与制造无关。为快速寻找开裂因素，认为需对副车架进行结构仿真及疲劳耐久寿命评估计算。

3 副车架耐久仿真思路

副车架作为汽车底盘重要零件，与周围部件连接较为复杂。在有限元建模中，会对模型做进一步简化，所以难以做到模型与实际完全相同，在仿真计算中难免会存在不可避免的误差。

为快速对副车架开裂问题进行原因分析，并提出相对应的解决方案。根据路试开裂位置发生时行驶里程为25600公里，占总实验里程64.0%左右。如要求该款副车架能够满足耐久试验目标要求，则需在原基础上，将其寿命再提高36%以上。根据该思路，对路试副车架建模并进行耐久仿真计算，在仿真结果基础上对损伤值进行分析，提出适合的方案降低开裂位置损伤值提升寿命。

4 副车架疲劳耐久寿命仿真分析

副车架结构耐久仿真需要到几个关键条件：硬点动载荷、材料疲劳曲线、结构仿真应力结果。

4.1 硬点动载荷

硬点动载荷提取方法一般有三种：自由加载法、约束法加载法、虚拟迭代法。三种方法都需在汽车进行可靠性道路耐久试验前，在汽车4个轴头安装六分力传感器、加速度传感器、位移传感器，对汽车路试过程中的路面激励进行采集，然后对采集到的原始激励进行特定的处理，包括滤波、除飘移、去毛刺等[4]。最后将处理过的信号加载到建立好的悬架模型中，提取出各个关键硬点的动载荷以备后续仿真应用。本次动载提取是基于Adams悬架模型为基础，使用车身约束方法进行载荷提取。

4.2 材料疲劳曲线

零件的寿命取决于材料的力学性能与外界施加的应力水平，每种不同材料都有其特定的力学特性，零件材料强度等级越高，受到的应力水平越低，其寿命就越长，这种外加应力水平和标准试件疲劳寿命之间的关系曲线称为S-N曲线[5]。疲劳耐久仿真计算，必须对车身每种零件材料进行明确定义，以使整体设置与实际情况更加接近，减少设置不当引起的误差。

4.3 结构仿真应力结果

副车架应力仿真结果是进行疲劳耐久仿真的必要条件，在副车架与底盘其他连接的关键硬点位置，对副车架关键硬点加载单位载荷进行计算，得到单位作用力力下的有限元应力结果，从而关联疲劳动态载荷进行结果叠加计算损伤[6]。

目前计算结构耐久的软件较多，有Ncode、FEMFAT等，软件中都包含了较为多的材料疲劳曲线数据，这些材料曲线能够满足基本的工程应用。如果软件中的材料库不能满足要求，可以根据材料的抗拉值及其他参数拟合出所需要材料的疲劳曲线；也可以根据工程需求，选取材料样件做疲劳耐久试验，得到相关的材料参数，从而进行材料曲线拟合。

在所有输入条件都准备好后，对副车架进行耐久仿真计算发现，减振器上安装点位置吊耳边缘损伤值为4.3，位置与开裂位置基本一致，损伤云图如下图2。因该副车架在完成25600公里路试时开裂，即寿命仅为设计目标的64%左右，根据前文思路，需在原基础上将该位置寿命提升36%以上才能满足目标。

图2 开裂位置疲劳总损伤

5 优化方案思路

通过对结构分析，该副车架减振器上安装点位置在现实情况中主要受到减振器轴向作用力较为恶劣，吊耳焊接边与减振器轴向呈现一定角度，角度越大，则边缘受力越明显。根据该因素，提出优化方案一：沿减振器轴向延长吊耳10mm，使得在减振器力作用时，能更好将力传递到其他位置，避免局部受力过于恶劣；优化方案二：在原方案基础上，加厚副车架纵臂梁到3.0mm，对整体结构进行加强。方案描述如下图3：

图3 优化方案描述图

根据以上思路，在原模型基础上进行结构修改并再次进行疲劳耐久仿真计算，最后发现方案一原开裂位置耐久仿真计算损伤值2.0，与原结构相比寿命提升53.5%左右；方案二原开裂位置耐久仿真计算损伤值1.9，与原结构相比寿命提升55.8%左右。仿真云图如下图4：

图4 优化方案损伤云图对比

根据计算结果得知两种方案皆可满足疲劳耐久性能目标要求，但考虑到方案二整体加厚副车架纵臂梁方案会增加较多成本，且会较大增加质量，在此建议考虑方案一作为最终实施方案。

6 结论

（1）通过有限元仿真软件，可以对结构关键位置进行疲劳耐久寿命预测评估，找出结构薄弱位置，并进行适当加强使其满足开发目标要求。本文通过副车架开发过程中的开裂案例，讲述了如何使用耐久仿真方法快速对副车架开裂位置进行仿真计算分析，并根据计算结果做出评估判断，提出有效改进寿命的参考方案。

（2）耐久仿真计算需要前期做较多的准备工作，包括路谱采集、信号处理、动载荷提取、有限元模型建立等步骤，每个步骤都或多或少带来无法评估的误差，因此后期耐久仿真计算中，寿命值预估难以做到与实际完全吻合。

（3）在解决问题时间较为紧迫情况下，根据耐久仿真损伤结果以及路试开裂里程数据，可以对比不同方案的耐久仿真数据趋势，提出合理且有效的寿命提升参考方案，本文方法可以为后续开发提供借鉴性思路。

[1] 邓雄志.前副车架焊缝疲劳分析和寿命优化[J].计算机辅助工程, 2015,24（2）:17-18.

[2] 张少辉.基于六分力仪提取载荷谱的某乘用车副车架疲劳分析[J].农业装备与车辆工程,2017,55（6）:49-51.

[3] 李永利.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京:国防工业出版社, 2011:46-58

[4] 苗冬梅.基于车辆系统动力学建模仿真的整车疲劳动载荷分析研究[D].吉林:吉林大学汽车工程学院,2017:15-18.

[5] 周传月.MSC_Fatigue疲劳分析应用与实例[M].北京:科学出版社, 2005:38-40.

[6] 孙晨凯.基于虚拟试验场技术的SUV白车身疲劳寿命分析[D]. 吉林:吉林大学机械科学与工程学院,2017:46-48.

Sub-fame structure and fatigue simulation analysis

Yang Jingfei, Song Hao, He Zhenghong, Shang Naiju

（ASIN Innovative Design and Manufacturing Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545000）

During the reliability road durability test of a vehicle being developed by a car company, it was found that cracking occurred in a certain position of the sub-frame, and the cracking affected the reliable durability performance evaluation. In order to solve the cracking problem quickly, the finite element method is used to simulate the sub-frame. The main idea: The road excitation signals collected from the test site are loaded into the multi-body dynamic suspension model, then the dynamic load of hard point is extracted, and finally the dynamic load is used as the durability simulation input.Based on the simulation analysis of the structure fatigue and durability of the sub-frame, the reason analysis of the crack position is carried out according to the simulation results, and the effective reference suggestions are put forward to provide favorable data support for improving the service life of the sub-frame.

sub-frame; cracking; Damage theory; Finite element; dynamics; durability simulation

U467

A

1671-7988(2019)14-117-03

U467

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1671-7988(2019)14-117-03

杨劲飞（1988.7-)，男，就职于广西艾盛创制科技有限公司工程分析部，从事车身结构强度及疲劳耐久仿真分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.038