于東娜，田 崇，鄂世國(guó)

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

1 背景介紹

橫向穩(wěn)定桿又稱防傾桿，屬于輔助彈性元件里面的扭桿彈簧，可有效防止整車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫向側(cè)傾及改善平順性。左、右輪安裝點(diǎn)受到來(lái)自顛簸路面引起的，在反向輪跳量為載荷幅值下的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)度應(yīng)力通常在彈性范圍內(nèi)，主要以高周疲勞耐久形式破壞。在穩(wěn)定桿強(qiáng)度疲勞分析研究領(lǐng)域中，李艷紅等對(duì)穩(wěn)定桿全模型進(jìn)行了疲勞分析。馮蘭芳等在其基礎(chǔ)上，引入了比較專業(yè)的MSC.fatigue軟件來(lái)求解計(jì)算疲勞壽命。劉素紅等根據(jù)疲勞計(jì)算結(jié)果進(jìn)行靈敏度參數(shù)優(yōu)化。近年，許期英等使用Isight軟件對(duì)穩(wěn)定桿的桿徑做了優(yōu)化，得到最大疲勞壽命下的最優(yōu)桿徑。以上的研究普遍存在著創(chuàng)建分析方法老舊，流程效率低，缺少與試驗(yàn)測(cè)試等對(duì)標(biāo)實(shí)際情況。另外，穩(wěn)定桿作為扭桿彈簧，多采用機(jī)械性能較高的60Si2CrVA、55Cr3、60Si2MnA等高強(qiáng)度彈簧鋼，其在材料、成型、熱處理、噴丸強(qiáng)化等方面影響穩(wěn)定桿的強(qiáng)度及疲勞耐久性能。

本研究采用行業(yè)內(nèi)通用的Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格離散化快速處理，在ABAQUS求解器接口環(huán)境下，進(jìn)行反向輪跳量加載下的非線性強(qiáng)度求解計(jì)算，通過(guò)疲勞耐久專業(yè)分析軟件FEMFAT計(jì)算出其疲勞壽命，由于穩(wěn)定桿受到的幅值載荷傳遞路徑方向單一，且臺(tái)架試驗(yàn)的工裝夾具是按照路試再現(xiàn)法安裝搭建，故能很好地反映出穩(wěn)定桿的疲勞耐久性能，將仿真數(shù)據(jù)與臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，總結(jié)出了快速驗(yàn)證的流程技術(shù)規(guī)范，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)，可有效地縮短開(kāi)發(fā)周期。

2 研究對(duì)象

以乘用車某車型后橋橫向穩(wěn)定桿作為研究對(duì)象，帶有襯套的總成3D數(shù)據(jù)模型如圖1所示，圖(a)為全局視圖，圖(b)為在襯套徑向中心面提取的剖切視圖。

穩(wěn)定桿的彎曲折彎設(shè)計(jì)是根據(jù)整車總布置的要求，合理避讓與其它結(jié)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)干涉，但折彎越多，工藝工序增加，其成本越高；穩(wěn)定桿的直徑大小關(guān)系到其扭轉(zhuǎn)剛度的大小，進(jìn)而直接影響著整個(gè)懸架特性，即整車平順性。扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式如下：

式中，為扭轉(zhuǎn)剛度，N?m/rad；為單位載荷，N；為端頭向位移，mm；為穩(wěn)定桿端點(diǎn)法向距離，mm；在襯套徑向剛度影響，約有30 N?m/ rad～40 N?m/ rad的偏差。所以穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要全面兼顧考慮。

穩(wěn)定桿優(yōu)化前、優(yōu)化后的材料信息如表1所示，由于襯套橡膠的特殊性，只有硬度參數(shù)來(lái)表征其本構(gòu)信息，該硬度為Shore A 70。

在匹配好懸架特性前提下，穩(wěn)定桿直徑為19 mm，材料選定為55Cr3，根據(jù)實(shí)際裝車狀態(tài)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，夾箍螺栓安裝全固定，在穩(wěn)定桿兩端的耳孔位置，用作動(dòng)器控制終端設(shè)置垂向±35.4 mm的反向行程（由懸架動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算出的80%輪跳極限），疲勞壽命≥1.5×10為合格，穩(wěn)定桿疲勞耐久臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試如圖2所示。

圖2中破壞斷裂位置出現(xiàn)在襯套外側(cè)區(qū)域（彎扭復(fù)合應(yīng)力），樣件臺(tái)架試驗(yàn)信息如表2所示。

該狀態(tài)下的穩(wěn)定桿疲勞耐久壽命不合格，與目標(biāo)值相差甚遠(yuǎn)。由于懸架特性已匹配好，且襯套、夾箍須通用化（根據(jù)應(yīng)力公式，如襯套厚度大小不變，桿徑越大則應(yīng)力越大，不建議增大桿徑），所以通過(guò)改變材料來(lái)提升優(yōu)化。積累的穩(wěn)定桿常用材料的-試驗(yàn)測(cè)試曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3及表1綜合比較，60Si2CrVA各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于55Cr3，經(jīng)優(yōu)化后的穩(wěn)定桿臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)滿足目標(biāo)要求，試驗(yàn)信息如表3所示。

3 有限元建模與分析

3.1 前期建模

將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入Hypermesh軟件，調(diào)用ABAQUS求解器編輯環(huán)境，由于該車型穩(wěn)定桿在整車坐標(biāo)系下為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，鏡像共節(jié)點(diǎn)處理即可。為保證精度，整體模型采用六面體單元，穩(wěn)定桿端頭過(guò)渡位置可適當(dāng)采用少量的四面體單元。有限元模型處理要點(diǎn)順序如下。

（1）由于襯套與穩(wěn)定桿之間要共節(jié)點(diǎn)，在穩(wěn)定桿與襯套接觸區(qū)域需提前做好印記，可使用surface edit里面的trim with surfs/plane命令來(lái)構(gòu)造切割線，washer split命令輸入襯套軸向?qū)挾葋?lái)生成另一個(gè)偏移線，形成網(wǎng)格衍生的傳遞路徑。

（2）分別在穩(wěn)定桿圓型與端頭扁平型過(guò)渡臨界區(qū)域，使用split surf-line命令來(lái)勾勒路徑的終點(diǎn)特征線，使用該特征線來(lái)切割出2個(gè)截面（圓截面和矩形面），后續(xù)要用。

（3）在穩(wěn)定桿幾何對(duì)稱中心0點(diǎn)位上使用切割命令，采用5 mm四邊形單元?jiǎng)澐衷搱A截面。在line drag命令里，elems選擇該圓截面單元，along line list先選擇穩(wěn)定桿中心面至襯套內(nèi)側(cè)的路徑線，on drag根據(jù)尺寸設(shè)置層疊數(shù)量；生成實(shí)體網(wǎng)格后，在Tool里面的faces將實(shí)體網(wǎng)格生成輔助表面單元，再重復(fù)line drag命令，elems選擇新的圓端面單元，alone line list選擇步驟（1）的路徑線，設(shè)置層疊數(shù)量生成網(wǎng)格后，同理依次生成襯套外側(cè)至步驟（2）特征線區(qū)域的網(wǎng)格。將輔助表面單元全部刪除。

（4）在穩(wěn)定桿端頭扁平區(qū)域，根據(jù)耳孔螺母直徑大小，用washer split設(shè)置特征線，采用5 mm mixed混合單元?jiǎng)澐郑⒁鈝asher單元不允許有三角形單元，同樣使用line drag命令，根據(jù)厚度設(shè)置好層疊數(shù)量，生成實(shí)體網(wǎng)格。

（5）將現(xiàn)有實(shí)體網(wǎng)格再次生成輔助表面單元，使用solid map里面的general命令選擇步驟（2）切割好的圓截面作為source geom源面，其面單元作為源單元；矩形面作為dest geom目標(biāo)面，其面單元作為目標(biāo)單元，單元尺寸大小均為5 mm，mesh生成實(shí)體單元。

（6）根據(jù)襯套徑向厚度，采取簡(jiǎn)易襯套模型處理，即使用elem offset里面的solid layers實(shí)體偏移，選擇步驟（5）中襯套區(qū)域的輔助面單元，total thickness厚度為16 mm，number of layers層數(shù)為5，點(diǎn)擊offset-（默認(rèn)徑向向心為正、向外為負(fù)）來(lái)生成共節(jié)點(diǎn)襯套網(wǎng)格，該方法是經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證積累總結(jié)的替代法。將輔助表面單元全部刪除。

（7）在襯套幾何中心創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，與襯套外表面節(jié)點(diǎn)耦合創(chuàng)建rbe2單元（作為約束點(diǎn)）；在穩(wěn)定桿端頭螺母安裝點(diǎn)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，與washer單元節(jié)點(diǎn)耦合創(chuàng)建rbe2單元（作為載荷施加點(diǎn)）。

（8）在reflect鏡像處理中，選中以上所有創(chuàng)建的單元，采用duplicate復(fù)制方法的original comp存檔原組件的方法，軸為鏡像方向，中心0點(diǎn)為參考點(diǎn)，生成全部網(wǎng)格模型。

（9）將整個(gè)穩(wěn)定桿實(shí)體模型生成表面單元，其厚度設(shè)置為0.001，由于實(shí)體單元只有3自由度，而面單元具有6自由度的特點(diǎn)，能夠?qū)⒂?jì)算出的單元應(yīng)力很好地積分到節(jié)點(diǎn)上，可有效地提高仿真精度。穩(wěn)定桿有限元模型（含放大特寫(xiě)效果）如圖4所示。

兩種高強(qiáng)鋼材料力學(xué)性能信息如表4所示。

上述兩種材料力學(xué)性能幾乎一致，只有密度有所差異。在襯套橡膠材料定義中，其密度通常為1.0E-9，用超彈特性Hyperelastic里面的Mooney_Rivlin模型來(lái)表征本構(gòu)關(guān)系，硬度Shore A 70°對(duì)應(yīng)參數(shù)C10為0.736，C01為0.184，D1為0.04，單元類型更為C3D8R（橡膠材料雜交混合單元）。

由于穩(wěn)定桿的剛度特性，其邊界條件的輸入必須是基于有限元法的懸架動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算出的，故在有限元模型生成后會(huì)立即做穩(wěn)定桿（不帶襯套）模態(tài)柔性體輸出，將密度單位乘以1 000換算成Tonne公噸進(jìn)制，與ADAMS單位制匹配，生成可讀*.mnf文件，仿真出反向輪跳值。

設(shè)置開(kāi)啟Nlgeom=Yes大變形非線性求解，載荷加載采用強(qiáng)迫位移法，邊界條件如表5所示，工況步如表6所示。

將強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果*.odb文件導(dǎo)入FEMFAT軟件，采用TransMAX模塊求解，選定四個(gè)step的增量為1來(lái)構(gòu)建應(yīng)力時(shí)間歷程，創(chuàng)建材料-曲線參數(shù)匹配，95%存活率，設(shè)置統(tǒng)計(jì)學(xué)影響因子，MINER算法來(lái)計(jì)算疲勞。

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)求解計(jì)算，優(yōu)化前的橫向穩(wěn)定桿應(yīng)力及疲勞損傷如圖5所示，最大應(yīng)力值為783 MPa，出現(xiàn)在襯套附近區(qū)域（與臺(tái)架試驗(yàn)位置吻合），其壽命為9.6×10次。

該優(yōu)化前穩(wěn)定桿的試驗(yàn)壽命次數(shù)與臺(tái)架試驗(yàn)次數(shù)基本一致。優(yōu)化后的穩(wěn)定桿疲勞損傷壽命如圖6所示，其壽命為2.11×10次（應(yīng)力接近不予列出）。

優(yōu)化后的穩(wěn)定桿在不改變懸架性能的基礎(chǔ)上，也滿足了疲勞耐久壽命次數(shù)的要求，與臺(tái)架試驗(yàn)吻合，實(shí)現(xiàn)了仿真與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)閉環(huán)工作。

4 結(jié)論

全文詳細(xì)地總結(jié)了具有較高仿真精度的工程化建模流程，采用單元偏置共節(jié)點(diǎn)的襯套創(chuàng)建法，可有效提高工程計(jì)算時(shí)間，驗(yàn)證了仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的一致性，結(jié)合懸架動(dòng)力學(xué)特性，為穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。鑒于穩(wěn)定桿的載荷傳遞路徑單一等特點(diǎn)，與路面譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比，是后續(xù)展開(kāi)工作研究的重點(diǎn)及方向。