劉金水 雷衡兵 高文理 劉后堯 吳湛方 蒲全付

摘 要：運(yùn)用ProCast軟件對(duì)真空壓鑄鋁合金副車架進(jìn)行鑄造工藝仿真，得到副車架的殘余應(yīng)力場(chǎng). 通過中間文件把殘余應(yīng)力作為初始條件加載到副車架力學(xué)分析有限元模型上，利用HyperMesh、ABAQUS、Fe-Safe等軟件對(duì)副車架進(jìn)行疲勞壽命分析.結(jié)果顯示殘余應(yīng)力使縱向工況、側(cè)向工況、垂向工況中的疲勞壽命分別降低了48%、71.3%、32.5%. 對(duì)副車架進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明：考慮了殘余應(yīng)力的疲勞仿真結(jié)果更接近臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，并且該鋁合金副車架的性能指標(biāo)符合實(shí)際使用要求.因此考慮了殘余應(yīng)力的疲勞仿真對(duì)真空壓鑄鋁合金副車架的生產(chǎn)更具指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：鋁合金副車架； 鑄造數(shù)值模擬； 殘余應(yīng)力； 疲勞壽命

中圖分類號(hào)：TG249.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The residual stress field of aluminum alloy sub-frame was obtained through its casting process simulation by the software ProCast. Then， the residual stresses were loaded into the finite element model of aluminum alloy sub-frame for the mechanical analysis through the intermediate files as the initial condition. The fatigue life of the sub-frame was analyzed by using HyperMesh，ABAQUS，F(xiàn)e-Safe and so on.The results showed that the residual stress decreased the working life in the longitudinal， lateral and vertical conditions by 48%， 71.3% and 32.5%， respectively.A bench test on the sub-frame was also performed. The results showed that the fatigue simulation results of residual stress were closer to the results of the bench test， and the performance index of the aluminum sub-frame satisfied the practical requirements.Therefore， the fatigue simulation considering the residual stress provides significance for the vacuum die casting aluminum alloy sub-frame production.

Key words：aluminum alloy sub-frame；casting numerical simulation； residual stress；fatigue lifetime

隨著人們對(duì)汽車工業(yè)輕量化認(rèn)知的不斷深入，越來(lái)越多的汽車零部件使用輕質(zhì)材料.目前使用最多的輕質(zhì)材料是鋁合金[1] ，在此背景下鋁合金副車架得到了前所未有的發(fā)展.國(guó)外運(yùn)用鋁合金副車架的車企有大眾、奧迪、奔馳、路虎等，國(guó)內(nèi)有廣汽運(yùn)用高真空壓鑄造工藝生產(chǎn)出了鋁合金副車架并已量產(chǎn)[2] .李新君等運(yùn)用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研發(fā)了內(nèi)高壓成形鋁合金副車架[3]；華南理工大學(xué)的陳琛運(yùn)用數(shù)值模擬與有限元仿真技術(shù)對(duì)副車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在達(dá)到減重目的的同時(shí)也滿足了副車架的性能要求[4]；孫玨、許善新等研究開發(fā)了擠壓鑄造生產(chǎn)副車架的工藝[5]；華中科技大學(xué)的林海運(yùn)用高真空壓鑄技術(shù)研發(fā)出了鋁合金副車架[6]等.高壓鑄造生產(chǎn)鋁合金副車架雖然具有很好的應(yīng)用前景，但是高壓鑄造會(huì)產(chǎn)生夾雜、脆性、組織不均勻等缺陷，導(dǎo)致延伸率低、力學(xué)性能不佳從而降低了高壓鑄造鋁合金副車架的耐久性.并且高圧鑄造產(chǎn)品不能運(yùn)用高溫?zé)崽幚淼姆椒▉?lái)提高力學(xué)性能，因此高壓鑄造鋁合金副車架的應(yīng)用具有一定的局限性.目前在鑄造生產(chǎn)鋁合金副車架的前期研發(fā)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化階段并沒有考慮到鑄造殘余應(yīng)力對(duì)副車架力學(xué)性能的影響，都是用沒有殘余應(yīng)力場(chǎng)作用的有限元模型進(jìn)行CAE分析，這樣得到的結(jié)果并不準(zhǔn)確.本文將通過對(duì)考慮了殘余應(yīng)力與沒考慮殘余應(yīng)力的副車架進(jìn)行疲勞有限元模擬，并重點(diǎn)分析殘余應(yīng)力對(duì)真空高壓鑄鋁合金副車架疲勞壽命的影響，并將兩種情況仿真得到的結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.

1 鑄造模擬得到鋁合金副車架殘余應(yīng)力場(chǎng)

1.1 鑄造有限元模型建立

副車架的幾何模型如圖1所示，平均壁厚為6 mm.本文運(yùn)用ProCast軟件進(jìn)行鑄造數(shù)值模擬.按照高圧鑄造工藝設(shè)計(jì)其流道與排氣、集渣等系統(tǒng).運(yùn)用ProCast軟件自帶的畫網(wǎng)格模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到鑄造模擬有限元模型，如圖2所示.單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為201 629；四面體網(wǎng)格數(shù)為882 986.

1.2 鑄造模擬物理性能參數(shù)和初始條件的設(shè)定與

仿真

本文應(yīng)力模擬計(jì)算采用Von Mises模型.該模型不直接計(jì)入粘性效應(yīng)，認(rèn)為材料屈服前為彈性，屈服后則為塑性，彈性模量與屈服應(yīng)力是溫度的函數(shù)，且當(dāng)材料接近熔點(diǎn)時(shí)，彈性模量與屈服應(yīng)力均為0. Von Mises模型即等效應(yīng)力模型.該模型中總應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變與塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變之和，描述為：

該副車架使用的材料是AlMg5Si2Mn. AlMg5Si2Mn是一種高強(qiáng)韌性鋁合金，成分如表1所示，熔點(diǎn)為632 ℃. ProCast軟件在鑄造仿真軟件中具有比較成熟的應(yīng)力場(chǎng)模擬功能，ProCast軟件中的應(yīng)力計(jì)算需要先設(shè)定材料的熱物參數(shù).本文使用ProCast軟件自帶功能計(jì)算材料AlMg5Si2Mn的物理性能參數(shù)，計(jì)算得到的結(jié)果如圖3～6所示；材料的屈服強(qiáng)度隨著溫度變化曲線如圖7所示；鑄造模擬的其它初始條件如表2所示.運(yùn)用ProCast軟件進(jìn)行鑄造數(shù)值模擬得到殘余應(yīng)力大小及分布情況如圖8所示.從圖8中可以得知?dú)堄鄳?yīng)力的最大值為84 MPa，殘余應(yīng)力的較大值主要分布在凝固較晚、形狀變化較大的部位.

2 單元載荷應(yīng)力加載與疲勞壽命分析

2.1 將殘余應(yīng)力場(chǎng)加載到力學(xué)分析有限元模型上

本文采用掛載的方式把殘余應(yīng)力的六個(gè)張量導(dǎo)入力學(xué)分析的有限元模型中[7]. 具體過程為在ProCast軟件中導(dǎo)出格式為.inp的網(wǎng)格文件和格式為.asf的應(yīng)力文件；再將.inp文件進(jìn)行改寫，在最后增加一句*INCLUDE，INPUT=（NAME）.asf，從而達(dá)到把.asf應(yīng)力文件掛載到.inp網(wǎng)格文件中的目的，最終得到了每個(gè)網(wǎng)格上都存在殘余應(yīng)力的有限元模型.本實(shí)驗(yàn)還需要設(shè)置一個(gè)不存在殘余應(yīng)力的力學(xué)有限元模型，因此需要分別導(dǎo)入一個(gè)掛載了.asf應(yīng)力文件的.inp文件和一個(gè)沒有掛載.asf應(yīng)力文件的.inp文件到HyperMesh中.

2.2 副車架單元載荷的應(yīng)力分析

本文使用的力學(xué)分析有限元模型如圖9所示.主機(jī)廠提供的各工況下受力情況以及各工況需要達(dá)到的疲勞次數(shù)如表3所示.根據(jù)圖9以及表3設(shè)置約束條件和力學(xué)加載，在圖9中的A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)作為約束點(diǎn)，這四個(gè)點(diǎn)是副車架通過橡膠襯套和車底盤的連接點(diǎn)；在E、F、G、H四個(gè)點(diǎn)上施加載荷，這四個(gè)點(diǎn)是副車架和懸掛系統(tǒng)的連接點(diǎn).運(yùn)用HyperMesh進(jìn)行前處理，將材料的屬性數(shù)值賦予到有限元模型.具體的材料屬性有屈服強(qiáng)度為145 MPa、抗拉強(qiáng)度為240 MPa、泊松比為0.33、彈性模量為72 GPa、密度為25 kg/m3.分別將三個(gè)工況的平均

載荷施加到副車架有限元模型，在HperMesh中導(dǎo)出.inp格式文件[8].再運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算.將此前得到的.inp格式文件導(dǎo)入ABAQUS軟件中，直接進(jìn)行計(jì)算，最終得到三種工況下考慮了殘余應(yīng)力與沒考慮殘余應(yīng)力的力學(xué)分析結(jié)果，如圖10所示（由于側(cè)向工況中左右兩輪得到的結(jié)果一樣因此只列出了右輪的工況）.

從圖10中可知施加了殘余應(yīng)力會(huì)增大各工況下副車架所產(chǎn)生的應(yīng)力最大值.在側(cè)向工況中應(yīng)力的最大值從94.5 MPa增大到了129 MPa；在縱向工況中應(yīng)力的最大值從97 MPa增大到了129 MPa；垂向工況中最大應(yīng)力值從23 MPa增大到了68 MPa. 縱向與側(cè)向工況中增大后的應(yīng)力值都大于殘余應(yīng)力的最大值.但是在垂向工況中，考慮了殘余應(yīng)力同時(shí)施加垂向工況載荷所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值比殘余應(yīng)力的最大值要小，殘余應(yīng)力的最大值為84 MPa，而施加垂向工況同時(shí)考慮殘余應(yīng)力時(shí)應(yīng)力的最大值為68 MPa.根據(jù)Cho等人[9]的研究結(jié)果得知對(duì)零件施加載荷會(huì)使殘余應(yīng)力的大小發(fā)生變化.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是殘余應(yīng)力與工況載荷產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行了疊加，這種疊加有可能是同向相加或者反向相減.在垂向工況中，若同時(shí)考慮工況載荷和殘余應(yīng)力的作用，殘余應(yīng)力最大值會(huì)由于工況載荷而發(fā)生變化.根據(jù)模擬結(jié)果可知?dú)堄鄳?yīng)力分為橫向、縱向、垂向.本仿真結(jié)果表明垂向工況中垂向殘余應(yīng)力與工況應(yīng)力進(jìn)行了微弱的相減疊加，因此考慮殘余應(yīng)力時(shí)施加垂向工況后殘余應(yīng)力仍占主要地位.上述現(xiàn)象表明殘余應(yīng)力的存在對(duì)于副車架加載應(yīng)力的大小和分布情況有很大的影響.

2.3 副車架疲勞壽命分析

本文疲勞分析運(yùn)用的是較早較成熟的算法名義應(yīng)力法.該法以材料的S-N曲線為基礎(chǔ)[10-12]，通過疲勞累積損傷理論與名義應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位的疲勞強(qiáng)度、預(yù)測(cè)疲勞壽命.該方法直接給出結(jié)構(gòu)發(fā)生失效前的壽命值并不能預(yù)測(cè)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展.通常有兩種方法獲得S-N曲線：一種是通過疲勞試驗(yàn)直接獲取；另一種是基于材料的強(qiáng)度極限和屈服極限，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得.通過對(duì)S-N曲線進(jìn)行一定的修正可以獲得零部件的S-N曲線以后，接著運(yùn)用上述方法進(jìn)行疲勞計(jì)算.在修正S-N曲線時(shí)需要考慮的因素有：ε（尺寸系數(shù)）、Kf（疲勞缺口系數(shù)）、CL（加載系數(shù)）、β（表面質(zhì)量系數(shù)），各系數(shù)之間的關(guān)系可以表示為：

獲取名義應(yīng)力的方法較簡(jiǎn)單，通常運(yùn)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，并求解彈性力學(xué)方程.本文運(yùn)用Fe-Safe軟件自帶的Seegers Method算法進(jìn)行S-N曲線估算[13，14]，得到的S-N曲線如圖11所示.獲得材料的S-N曲線以后，需要對(duì)載荷譜進(jìn)行設(shè)定.本文運(yùn)用正弦曲線方式的載荷譜，由表3得三種工況下各載荷譜如圖12所示（由于側(cè)向工況中左右兩個(gè)方向?qū)ΨQ因此只考慮了右輪工況）.根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行疲勞壽命分析計(jì)算，計(jì)算得到疲勞次數(shù)如表4所示；得到的疲勞壽命云圖如圖13所示.

圖13中疲勞次數(shù)是通過對(duì)數(shù)形式表示的，其中最大的疲勞次數(shù)為1×1015次，這個(gè)次數(shù)被定義為無(wú)限壽命，超過這個(gè)值表示不會(huì)產(chǎn)生損傷.表4中的數(shù)值表明殘余應(yīng)力會(huì)降低各工況中的疲勞次數(shù)，具體情況是殘余應(yīng)力使縱向工況載荷疲勞壽命次數(shù)降低了48%；側(cè)向工況中降低了71.3%；垂向工況中降低了32.5%.由此可知?dú)堄鄳?yīng)力對(duì)于副車架的疲勞壽命產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響.對(duì)比應(yīng)力分析的結(jié)果得知疲勞壽命降低是因?yàn)樵谄趬勖钚≈迭c(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行了相加方式疊加，從而使得施加工況載荷同時(shí)考慮了殘余應(yīng)力時(shí)疲勞壽命遠(yuǎn)低于僅施加工況載荷的疲勞壽命.因此對(duì)真空壓鑄生產(chǎn)鋁合金副車架進(jìn)行前期應(yīng)力分析和疲勞壽命分析時(shí)需要考慮鑄造殘余應(yīng)力的影響.

3 臺(tái)架試驗(yàn)

根據(jù)后副車架在轎車上的實(shí)際安裝情況，在動(dòng)載實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn).試驗(yàn)使用的副車架沒有采取消除殘余應(yīng)力措施.在工廠里對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了側(cè)向工況疲勞壽命分析，安裝情況如圖14所示.當(dāng)進(jìn)行到6萬(wàn)次的時(shí)候橡膠套斷裂，斷裂區(qū)域如圖15所示. 6萬(wàn)次已經(jīng)滿足了主機(jī)廠4萬(wàn)次的使用要求.另外主機(jī)廠運(yùn)用專業(yè)的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了完整的臺(tái)架試驗(yàn)，具體情況如圖16所示.各工況具體的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，結(jié)果表明該款副車架各工況的疲勞壽命都達(dá)到了表3中的預(yù)期目標(biāo).并且該副車架已經(jīng)通過了路試，路試結(jié)果達(dá)到了20萬(wàn)公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求.

4 結(jié) 論

1）應(yīng)力分析結(jié)果表明加載過程中鑄造殘余應(yīng)力與工況載荷產(chǎn)生的工況應(yīng)力進(jìn)行相加或相減的疊加，這種疊加改變了應(yīng)力的大小及分布情況.

2）疲勞仿真結(jié)果表明真空壓鑄鋁合金副車架的鑄造殘余應(yīng)力使其縱向工況疲勞壽命降低了48%、側(cè)向工況的疲勞壽命降低了71.3%、垂向工況的疲勞壽命降低了32.5%.

3）仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明考慮殘余應(yīng)力的真空壓鑄鋁合金副車架疲勞壽命仿真結(jié)果更接近實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，因此真空壓鑄鋁合金副車架前期開發(fā)過程中的力學(xué)分析與疲勞壽命分析階段需要考慮殘余應(yīng)力的影響.

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