吳道俊，蔡鴻毅，張今敏，郭宏瑜，高揚

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門361023）

客車懸架穩(wěn)定桿支座的底架連接結(jié)構(gòu)是車身骨架的集中載荷輸入點，承擔(dān)著較大的動態(tài)載荷，由于底架為方鋼焊接結(jié)構(gòu)，抗疲勞強度較弱［1］，因此，研究該區(qū)域的疲勞問題及分析方法，具有重要意義。潘金坤［2］采用有限元方法，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直接確定等幅正弦載荷加載，對穩(wěn)定桿進(jìn)行疲勞計算。王國麗［3］等研究穩(wěn)定桿連桿支架，載荷通過直接測試獲取，需要購買價格較貴的傳感器，安裝較困難。徐國權(quán)［4］采用有限元建模，施加±50mm的強制位移載荷，運用疲勞性能曲線計算穩(wěn)定桿支座的疲勞壽命。上述都是參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工況，通過有限元方法對穩(wěn)定桿及支座加載等幅正弦載荷，直接進(jìn)行疲勞計算。對于通過穩(wěn)定桿應(yīng)變測試與CAE相結(jié)合獲取穩(wěn)定桿吊桿的隨機載荷譜的研究較少，考慮穩(wěn)定桿吊桿的焊接連接結(jié)構(gòu)的疲勞分析的研究也較少。文中將CAE與實車試驗測試相結(jié)合，研究疲勞分析方法和技術(shù)方案，對穩(wěn)定桿支座底架連接結(jié)構(gòu)（焊接結(jié)構(gòu)）的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行疲勞計算。

1 CAE與測試相結(jié)合的方法

利用有限元分析，建立穩(wěn)定桿幾何中心處應(yīng)變與端部的位移的關(guān)系?；趯崪y應(yīng)變載荷譜，計算獲取端部動態(tài)位移，作為穩(wěn)定桿多體動力學(xué)模型輸入，獲取穩(wěn)定桿吊桿對支座的動態(tài)載荷譜，結(jié)合焊接結(jié)構(gòu)SN曲線，實現(xiàn)穩(wěn)定桿支座的底架連接結(jié)構(gòu)全局疲勞計算。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定桿支座連接結(jié)構(gòu)疲勞分析技術(shù)路線

2 穩(wěn)定桿兩端動位移獲取及驗證

由于位移信號難以測試，因此采用間接法獲取。在HyperWorks中對穩(wěn)定桿有限元模型（圖2）兩端分別按表1加載Z向位移，襯套連接處約束6個自由度，讀取穩(wěn)定桿前表面中心點（中間橫截面表面的點，簡稱穩(wěn)定桿中心點）與軸線成45°的應(yīng)變（簡稱中心點應(yīng)變）數(shù)據(jù)，如表1所示。穩(wěn)定桿兩端Z向位移與穩(wěn)定桿中心點應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系，通過表1計算應(yīng)變與左端Z向位移的比值，并取平均值獲取綜合比例系數(shù)為54.2。

圖2 橫向穩(wěn)定桿有限元模型

表1 穩(wěn)定桿兩端Z向位移與中心點應(yīng)變的關(guān)系

強化工況試驗載荷譜采集獲取的穩(wěn)定桿中心點（與表1應(yīng)變讀取點和方向一致）的應(yīng)變譜，如圖3所示。利用表1的比例系數(shù)，計算得到左端點動位移如圖4所示，右端點的位移相位正好相反。

圖3 穩(wěn)定桿中心點實測應(yīng)變譜

圖4 穩(wěn)定桿左端點動態(tài)位移譜

為了確定基于有限元計算的穩(wěn)定桿端部Z向位移的有效性，通過測試獲取驗證數(shù)據(jù)。由于位移傳感器難以安裝，在穩(wěn)定桿端部和正上方車身底架布置垂向加速度傳感器，以測試加速度計算獲取動態(tài)Z向位移信號。按照文獻(xiàn)［5］中的方法，將加速度信號轉(zhuǎn)化成位移信號。由于加速度傳感器在1 Hz以上的信號精度良好，因此在1Hz以上的頻率范圍內(nèi)對穩(wěn)定桿有限元計算的位移進(jìn)行校對。如圖5～6所示，對比可見2種位移時域波形重疊度良好，PSD曲線分布和數(shù)值接近。測試獲取的穩(wěn)定桿端部Z向位移均方根值為4.17 g，基于有限元計算的位移均方根值為4.32 g，比值為1.04 ，基于有限元計算的位移精度良好。

圖5 位移譜時域波形局部對比

圖6 位移譜PSD對比

3 穩(wěn)定桿吊桿支座動態(tài)載荷獲取

基于ADAMS.VIEW軟件，建立橫向穩(wěn)定桿多體動力學(xué)模型，如圖7所示。橫向穩(wěn)定桿及其吊桿為剛體，在左右段穩(wěn)定桿之間建立轉(zhuǎn)動副，并施加等效剛度的扭轉(zhuǎn)彈簧。吊桿與車架連接為球絞，吊桿與橫向穩(wěn)定桿連接為等速副，橫向穩(wěn)定桿與車輪之間采用滑動副和襯套連接。在穩(wěn)定桿模型兩端輸入動態(tài)Z向位移譜，仿真計算穩(wěn)定桿吊桿對其支座連接點的Z向載荷譜，如圖8所示。

圖7 橫向穩(wěn)定桿多體動力學(xué)模型

圖8 穩(wěn)定桿吊桿支座連接點的Z向載荷譜仿真圖

4 支座及底架結(jié)構(gòu)動應(yīng)力分析

建立穩(wěn)定桿支座及底架連接結(jié)構(gòu)的有限元模型，在穩(wěn)定桿左支座施加單位力進(jìn)行計算，如圖9所示，對應(yīng)實車載荷譜采集的應(yīng)變花測點位置的有限元VonMises應(yīng)力為0.00842 MPa。在支座連接點施加動態(tài)載荷譜，采用準(zhǔn)靜態(tài)法計算支座底架結(jié)構(gòu)的全局動應(yīng)力。如圖10～11所示，對應(yīng)變花測點的實測數(shù)據(jù)與CAE分析結(jié)果進(jìn)行對比，2種應(yīng)力譜的時域波形對比結(jié)果較好，對應(yīng)的雨流計數(shù)累計曲線分布相似性良好；CAE與實測數(shù)據(jù)的變程最大值比值為1.13 （小于1.20 ）。說明CAE計算得到的動態(tài)應(yīng)力結(jié)果精度較好。

圖9 單位力下穩(wěn)定桿支座底架結(jié)構(gòu)的靜力計算

圖10 CAE應(yīng)力譜與實測應(yīng)力譜對比

圖11 應(yīng)力譜雨流累計曲線

5 穩(wěn)定桿支座及底架結(jié)構(gòu)疲勞分析

穩(wěn)定桿支座底架結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)，采用英國的焊接疲勞標(biāo)準(zhǔn)BS7608［6］，焊接結(jié)構(gòu)SN曲線方程為

式中：N為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）；C0為與平均Sr-N曲線相關(guān)的數(shù)；d為低于平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)目；σ為logN的標(biāo)準(zhǔn)偏差；m為曲線斜率的倒數(shù)；Sr為應(yīng)力變化范圍。d不同，對應(yīng)的曲線參數(shù)不同，若d取0，則對應(yīng)的SN曲線為平均值SN曲線。文中結(jié)構(gòu)等級為G，C0為5.66 ×1011，m為3。

在BS7608中，以壽命N為107次周期循環(huán)為拐點（對應(yīng)的應(yīng)力變化范圍為S0），此點之前曲線斜率為m的倒數(shù)，之后斜率為（m+2）的倒數(shù)，具體如下：

式中：n為被評估點應(yīng)力變化范圍發(fā)生次數(shù)；S0為對應(yīng)壽命N為107次循環(huán)的應(yīng)力變化范圍。綜上，對應(yīng)焊接結(jié)構(gòu)G等級的Sr-N曲線2段對應(yīng)關(guān)系式為

確定好關(guān)系式（3）的曲線拐點并處理好2種斜率曲線的連接。在疲勞極限處，循環(huán)次數(shù)為1.0 ×1011，對應(yīng)的應(yīng)力變化范圍為6.14 MPa，最終得到全局的SN曲線，如圖12所示。

圖12 G等級焊接結(jié)構(gòu)SN曲線

在HyperWorks中計算穩(wěn)定桿支座底架連接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，如圖13～14所示。圖13中對應(yīng)測點位置的疲勞損傷計算結(jié)果為0.00244，而試驗實測載荷譜（圖10）利用名義應(yīng)力壽命法計算該點的疲勞損傷為0.00173，CAE結(jié)果相對于試驗數(shù)據(jù)比值為1.41 （小于2且大于0.5 ），說明CAE計算精度良好且存在一定的安全系數(shù)。通過該點實測數(shù)據(jù)損傷驗證與分析，保障了CAE全局疲勞分析結(jié)果的有效性。圖14為全局分析結(jié)果，包括支座與底架焊接結(jié)構(gòu)為危險區(qū)域等信息，排除焊接應(yīng)力集中因素，焊接結(jié)構(gòu)最大疲勞損傷為0.00420，最低疲勞壽命里程為2380km，未滿足開發(fā)要求。

圖13 穩(wěn)定桿左吊桿支座底架結(jié)構(gòu)局部疲勞分析結(jié)果

圖14 穩(wěn)定桿吊桿支座底架結(jié)構(gòu)疲勞分析結(jié)果

6 結(jié)論

通過穩(wěn)定桿動態(tài)應(yīng)變測試數(shù)據(jù)，計算穩(wěn)定桿端部動態(tài)位移譜，與加速度測試、轉(zhuǎn)化獲得的位移譜在時域波形、頻域PSD上的重疊度都良好，均方根比例達(dá)到1.04，滿足后續(xù)的疲勞分析。通過多體動力學(xué)和有限元計算，獲得穩(wěn)定桿支座底架動態(tài)應(yīng)力譜，與測試結(jié)果相比，2種應(yīng)力譜的時域波形重疊度良好，雨流計數(shù)累計曲線中的變程最大值比值為1.13 ，小于1.20 ，表明文中方法計算的動態(tài)應(yīng)力結(jié)果精度良好。CAE與測試相結(jié)合，利用焊接結(jié)構(gòu)SN曲線，計算穩(wěn)定桿支座骨架的疲勞損傷與同處的實測數(shù)據(jù)的比值為1.41 ，小于2且大于0.5 ，精度達(dá)到要求。同時獲得焊接結(jié)構(gòu)全局的最大疲勞損傷為0.00420，相應(yīng)最低疲勞壽命里程為2380km，未滿足開發(fā)要求，從而明確整改的必要性。