李洋　柴寶明　張建濤

摘 要：疲勞是汽車設(shè)計的重要指標(biāo)，近年來隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的疲勞設(shè)計正由無限疲勞壽命設(shè)計向著有限疲勞設(shè)計轉(zhuǎn)變，因此如何更加準(zhǔn)確地對汽車疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測已經(jīng)成為當(dāng)下迫切需要完善與不斷創(chuàng)新的問題，文章對傳統(tǒng)預(yù)測方法中存在的問題進(jìn)行闡述，并應(yīng)用一種新的疲勞分析方法對基于臺架試驗(yàn)的汽車橫向穩(wěn)定桿壽命進(jìn)行預(yù)測，并對其應(yīng)用于汽車車身其他零部件以及基于道路鋪的疲勞分析的可行性進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞：橫向穩(wěn)定桿；疲勞壽命預(yù)測；載荷；CAE

前言

近年來隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計要求越來越嚴(yán)格。由于汽車在運(yùn)動過程中主要承受動載荷，因此汽車零部件的破環(huán)形式一般都是疲勞破壞。針對此汽車零部件的疲勞壽命預(yù)測已變的尤為重要。橫向穩(wěn)定桿作為汽車的關(guān)鍵部件，具有防側(cè)傾，改善舒適與平順性的作用，文章對橫向穩(wěn)定桿的受力方式進(jìn)行進(jìn)一步探討，說明橫向穩(wěn)定桿在以臺架疲勞實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行兩邊對稱位移加載時兩邊受力的不對稱性，并通過abaqus有限元進(jìn)行驗(yàn)證。以此說明傳統(tǒng)疲勞計算方法中存在的問題，并以一種全新的計算方法進(jìn)行疲勞計算，從而對其疲勞壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

1 橫向穩(wěn)定桿的受力分析

穩(wěn)定桿臺架試驗(yàn)時按照位移加載，兩端約束x，y向自由度分別沿Z軸的正向與負(fù)向施加30mm位移并由此進(jìn)行循環(huán)加載。此時由于穩(wěn)定桿兩端形變趨勢不同，造成兩端所受的力的大小與方向在空間上并不完全反向?qū)ΨQ，因此隨著加載過程的進(jìn)行穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)彎處A，B與其對稱點(diǎn)A'，B'點(diǎn)的應(yīng)力大小將變的不同。此情形將對之后進(jìn)行的疲勞預(yù)測產(chǎn)生影響。

2 有限元模型驗(yàn)證

在hypermesh中對穩(wěn)定桿劃分網(wǎng)格，在穩(wěn)定桿與副車架連接處建立襯套，襯套使用abaqus中CONN3D2單元模擬，襯套剛度賦經(jīng)驗(yàn)值，網(wǎng)格基本尺寸為5×5mm，有限元模型如圖2所示。

約束穩(wěn)定桿兩端x，y向自由度，約束穩(wěn)定桿支架與副車架連接處全部自由度，在兩端沿Z向分別加載30mm位移。應(yīng)力結(jié)果云圖如圖3所示。

3 穩(wěn)定桿疲勞計算

統(tǒng)計單元應(yīng)力大小，通過材料SN曲線與循環(huán)次數(shù)計算疲勞，對應(yīng)此次穩(wěn)定桿疲勞計算，使用ncode軟件進(jìn)行疲勞分析，通常我們選取上面計算的應(yīng)力結(jié)果，然后在軟件中進(jìn)行對稱循環(huán)加載，即正弦波加載，根據(jù)公式1：

得到該載荷譜作用下單次循環(huán)過程中應(yīng)力變化過程，再根據(jù)雨流計數(shù)法統(tǒng)計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與幅值，通過miner法則與SN曲線得到單次循環(huán)損傷，其倒數(shù)便是各單元能夠循環(huán)幾次即各單元壽命，如圖4所示。

依據(jù)臺架實(shí)驗(yàn)情況，針對本次穩(wěn)定桿計算所對應(yīng)情形，由于實(shí)際加載時穩(wěn)定桿左右應(yīng)力結(jié)果不對稱，在單次循環(huán)的上半段最大應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)，而下半段最大應(yīng)力會出現(xiàn)在A'點(diǎn)。也就是說在單次循環(huán)中A點(diǎn)應(yīng)力在上半段經(jīng)過0→？滓maxA→0的變化。在下半段由于A點(diǎn)最大應(yīng)力減小，A點(diǎn)應(yīng)力變化為0→？滓A→0。而若仍使用正玄波加在根據(jù)公式1，A點(diǎn)應(yīng)力在Ncode中的變化過程為0→？滓maxA→0→？滓maxA→0與實(shí)際情形不符，若？滓maxA？垌？滓A則疲勞結(jié)果將會失效，穩(wěn)定桿疲勞由于存在大變形，兩側(cè)變形方式又不對稱，所以此次穩(wěn)定桿疲勞分析便屬于上述情形。

4 新的穩(wěn)定桿疲勞計算方法

針對上述情形，采用有限元法進(jìn)行循環(huán)加在，在abaqus中完成單次循環(huán)并將單次循環(huán)應(yīng)力變化過程輸出，使用hypermesh對模型進(jìn)行前處理，在穩(wěn)定桿兩端分別加載30mm位移并使用amplitude曲線使位移進(jìn)行0→30→0→-30→0的正弦循環(huán)amplitude曲線如圖5所示。

由此看出上半周循環(huán)時最大應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)而左側(cè)應(yīng)力較小，下半周循環(huán)時最大應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)而右側(cè)應(yīng)力較小。

使用Ncode，應(yīng)用SN法計算疲勞，穩(wěn)定桿材料為42CrMo，UTS為1000MPa，本次疲勞計算不再使用正弦波加載，而是直接從有限元結(jié)果中提取應(yīng)力循環(huán)結(jié)果，完成單次應(yīng)力循環(huán)統(tǒng)計，有效的消除了由于正弦波加載的線性特性而無法統(tǒng)計真實(shí)循環(huán)時的非線性因素，單次循環(huán)損傷如圖8所示。

穩(wěn)定桿壽命為life=1/damage=41W次并且左右對稱。

穩(wěn)定桿壽命為life=1/damage=13W次，且圖上左側(cè)壽命遠(yuǎn)大于右側(cè)，左右不對稱。

5 結(jié)束語

應(yīng)用此種方法有效了消除了由于疲勞計算時對于應(yīng)力線性變化的假設(shè)引起的疲勞失效誤差，對于基于載荷譜以及載荷分解進(jìn)行的疲勞計算。由于零部件在多通道載荷下受力更加復(fù)雜，因此零件本身的應(yīng)力循環(huán)存在更多的非線性因素，也可應(yīng)用此方法將多軸載荷譜導(dǎo)入有限元模型進(jìn)行求解，以此求出零件的應(yīng)力變化過程消除線性假設(shè)的影響，在大變形零件中尤其適用。

參考文獻(xiàn)

[1]Ncode designlife theory 9.0[Z].