商用車車架疲勞壽命仿真研究

張小雨

摘要：汽車車架是汽車的關鍵承載部件，易發生疲勞破壞。商用車車架進行扭轉臺架疲勞試驗時，不滿足車架循環次數20 萬次壽命要求；需要采用有限元法模擬車架扭轉疲勞臺架試驗，以找出焊縫開裂原因并提出改進方案，比較不同焊縫建模方法計算所得車架扭轉臺架疲勞壽命，確定與臺架試驗結果吻合的焊縫建模方法；對車架焊縫開裂風險位置進行結構優化設計，提升縱梁橫梁接頭強度，先用有限元方法驗證車架優化方案滿足壽命要求后，再將優化后的車架進行臺架試驗，車架未發生開裂。應用有限元方法預測臺架疲勞耐久壽命，可以找出焊縫開裂原因并快速驗證優化方案，縮短產品開發周期。

關鍵詞：商用車；臺架試驗；疲勞壽命

疲勞耐久性是汽車的主要性能指標之一。汽車中大部分零部件的失效模式都表現為疲勞破壞。對于非承載式車身的車型，車架是整車的裝配基體和承載基體，承載著汽車各總成，并承受著各種力及力矩。設計合理的車架是開發非承載式汽車重中之重，設計車架即不可過強，避免造成材料浪費，增加產品成本；又不可過弱，避免車輛壽命周期內發生開裂，對乘客造成傷害。因此，對車架疲勞耐久壽命預估是車架開發的重要內容。車架由不同厚度、不同形狀的沖壓鈑金焊接而成，焊縫數量多且走勢復雜，根據工程經驗，車架疲勞失效主要發生在焊縫及其熱影響區域，因此對焊縫及熱影響區進行有限元模擬及壽命預測勢在必行。某商用車車架在進行扭轉疲勞臺架試驗時，車架第三橫梁與縱梁連接處焊縫發生開裂，不滿足車架疲勞壽命要求，因此，對車架焊縫進行模擬，預測車架焊縫疲勞耐久壽命、找出焊縫開裂原因并快速提出有效改進措施。

一、車架扭轉疲勞臺架試驗

根據車架進行臺架扭轉疲勞試驗，車架扭轉疲勞臺架試驗模擬實車狀態，把車架總成固定在臺架試驗臺上，用專用夾具固定車架后彈簧座吊耳，可繞X 軸旋轉加載裝置與前彈簧座支架通過專用夾具連接，激振器作用通過加載裝置Z 向加載，加載扭矩±2000N·m，加載頻率3Hz，順時針、逆時針各加載一次計一個循環。試驗要求循環20 萬次，車架焊縫及鈑金均不能開裂。共做了三個車架的扭轉疲勞臺架試驗，焊縫開裂位置均是第三橫梁與車架縱梁連接處焊縫開裂，由臺架試驗結果可知，車架焊縫不滿足20 萬次壽命要求，亟需借助先進有限元方法找到焊縫失效原因，并提出有效改進措施。

二、車架臺架靜強度分析

1、車架焊縫有限元模擬。車架是由縱梁、橫梁及支架組成的焊接總成件，縱梁、橫梁及支架為薄板鈑金結構，沖壓鈑金工藝簡單，加工工藝引起材料性能變化不大，有限元模擬方法為抽中面選用PSHELL 單元、料厚賦予鈑金實際料厚模擬，已經過試驗驗證方法有效。而車架焊縫數量多，分布廣且是車架易失效風險位置，焊接焊縫時，焊縫本體及母材在高溫下發生材料性能復雜變化，如何用有限元方法正確模擬焊縫本體及焊縫熱影響區，對準確評估車架性能意義重大。采用兩種常用焊縫建模方法構建車架有限元模型，模擬臺架試驗規范建立有限元分析工況，并運用有限元分析結果進行車架扭轉疲勞臺架試驗壽命預測。比較兩種不同焊縫建模方法計算所得臺架扭轉疲勞試驗壽命，選用與臺架試驗結果相吻合車架焊縫建模方法，并應用該有限元建模方法查找焊縫開裂原因，提出改進方案。

一般來說，焊縫可以通過rigid 單元、Weld 單元或Pshell 單元模擬，根據多年企業經驗，采用rigid 單元、Weld 單元會導致有限元結果偏剛，并且rigid 單元不能賦予焊縫疲勞材料屬性，因此不能采用rigid 單元、Weld 單元來預測焊縫疲勞耐久壽命。焊縫單元及相鄰單元盡量采用四邊形網格并保證良好的網格質量。研究表明，焊縫本體及焊縫熱影響區材料疲勞耐久屬性相近且均與鈑金母材不同，因此焊縫本體及熱影響區屬性要區別于鈑金母材單獨賦予材料、料厚屬性。通過比較兩種不同材料、料厚屬性Pshell 單元焊縫建模方法下疲勞耐久壽命結果，如表所示。

2、有限元分析靜強度分析結果。依據企業鈑金建模規范，劃分車架鈑金件網格，網格平均尺寸7mm，單元類型為CQUADR&CTRIA。依據臺架試驗方法，在左右前彈簧座施加±1220N Z 向載荷，等效于2000N·m 扭矩，約束左右后板簧吊耳，車架有限元分析模型，采用nastran 求解器進行靜力分析，分析所得應力云圖，如圖所示。

兩種不同焊縫建模方法應力分布云圖相似，有限元分析應力集中處與臺架試驗焊縫開裂處位置一致，有限元模型分析結果具有可信性。車架第三橫梁鈑金材料為SAPH440，屈服強度為345MPa，而兩種不同焊縫建模方法有限元應力結果僅為240MPa、180MPa，小于材料屈服強度，滿足強度設計要求，車架扭轉疲勞臺架試驗焊縫開裂不是強度不足引起的，而是耐久問題。因此，需要運用有限元分析結果進行耐久壽命預測，找到扭轉疲勞臺架試驗焊縫開裂原因。

三、車架焊縫壽命預估

1、焊縫應變載荷歷程。以采用方法焊縫建模方法所得焊縫開裂處起始單元應力為例，介紹焊縫應力載荷歷程構建過程，由有限元靜強度分析結果可知，加載順時針扭矩時，開裂焊縫起始單元應力為240MPa，加載逆時針扭矩時，該單元應力為-203MPa，由疲勞理論可知，金屬疲勞壽命與載荷幅值有關，與載荷波形無關[1]，因此采用單位三角載荷構造臺架應力載荷歷程，由Neuber 法則轉換線性應力為局部應力應變歷程，Miner 法則是基于對稱循環應力應變進行計算的，因此再由Morrow 法則修正平均應力應變對壽命影響，轉換成對稱應力應變循環，以便于應用焊縫應變-壽命曲線進行壽命預估。如圖所示。

2、焊縫壽命分析結果。將焊縫臺架動態應變歷程與焊縫應變-壽命曲線導入Design-life 中，求得車架焊縫壽命得出第三橫梁與縱梁連接處焊縫壽命14 萬次，焊縫建模方法預估疲勞耐久壽命已滿足20 萬次壽命要求，不能再現臺架焊縫開裂問題。所得焊縫壽命不滿足20 萬次壽命要求，具有開裂風險，與車架扭轉臺架疲勞試驗結果吻合，且開裂位置一致，可以采用模擬車架扭轉臺架疲勞試驗以找到焊縫開裂原因、優化方案并快速驗證優化方案。

四、車架優化設計

由有限元分析應力分布云圖，第三橫梁與縱梁連接焊縫處出現應力集中，剛度出現突變，第三橫梁為避讓發動機總成，Z 向向下彎曲梯度大，增加了扭轉力臂，降低了車架整體扭轉剛度；同時第三橫梁與縱梁接頭采用開口形式，接頭剛度弱，導致焊縫開裂。因第三橫梁走勢無法更改，從更改接頭形式方面入手，提出改進方案，解決焊縫開裂問題。在第三橫梁與縱梁連接處增加加強件，建立實施改進方案的車架有限元模型，并進行靜強度分析，應用靜強度分析應力應變結果進行焊縫疲勞壽命預測。焊縫開裂處應力由240MPa 下降至108MPa。將靜強度分析結果導入design-life 計算焊縫壽命，焊縫壽命為28 萬次，滿足20萬次壽命要求。將實施改進方案的車架再次進行扭轉疲勞臺架試驗，以驗證改進方案有效性。進行臺架試驗的三個車架循環20 萬次時均未開裂，證明改進方案有效。

結論

（1）車架進行扭轉疲勞臺架試驗時，第三橫梁與縱梁連接處焊縫開裂，分析對比兩種不同焊縫建模方法，確定合適車架有限元建模方法，并進行靜強度分析及壽命預測，分析結果顯示，選用的有限元分析方法預測焊縫開裂風險位置與臺架試驗開裂位置一致。

（2）基于有限元分析結果分析車架焊縫開裂原因，并對車架進行結構優化設計，焊縫壽命由14 萬次提升到28 萬次，改進后的車架重新進行臺架試驗，在車架要求壽命周期內未開裂，滿足車架壽命要求。

參考文獻：

[1]扶原放，金達鋒，喬蔚煒.微型電動車車架結構優化設計方法[J].機械工程學報，2013，45（9）：13.

[2]錢立軍，吳道俊，祝安定.基于模態應力恢復的車架疲勞壽命計算研究[J].中國機械工程，2012，22（7）：74.

[3]李 亮，宋 鍵.商用車驅動橋殼疲勞壽命的有限元仿真與實驗分析[J].機械強度，2013，30，（3）：07.