有限元法对汽车机械结构疲劳寿命

摘 要对汽车机械结构疲劳分析和寿命预测方法即静态疲劳分析方法和总寿命S－N预测方法进行了介绍.针对某种型号轿车的悬架,应用多体动力学软件ADAMS构建了悬架的虚拟样机,进行了动力学仿真分析.并应用MSC系列有限元分析和疲劳软件对下控制臂进行了分析,计算了其应力特性和疲劳寿命.

关 键 词有限元疲劳分析S－N疲劳分析

1前言

车辆在行驶过程中,各零部件要受到各种交变载荷,这种交变载荷一般低于拉伸强度极限,在这种交变载荷反复作用下,会发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂,这种现象称为疲劳破坏,在技术改进和研究开发中,了解这种破坏形式对车辆零部件的强度影响作用.具有极其重要的意义.因此在汽车产品的研制过程中,需要对零部件进行大量的台架试验和整车耐久性试验,不仅试验费用高、周期长,而且问题大多是出现在产品设计完成之后,对设计更改带来一定难度.通过有限元疲劳分析,可以在产品设计初期对整车的耐久性进行预测,找到结构的薄弱环节,提出合理的改进方案,还可以大幅度降低或最终取代部分疲劳试验.本文将结合工程实例,对各种疲劳分析方法对汽车构件的分析及适用范围进行评述.

2有限元疲劳分析方法

依据载荷类型的不同,有限元疲劳分析方法通常包括静态（或准静态）疲劳分析方法、瞬态疲劳分析方法和振动疲劳分析方法.不同方法有着不同的计算效率和适用范围,对于给定的问题,应该根据结构所受载荷及其动态特性不同,判断并选择正确的疲劳分析方法.如果结构的一阶固有频率大于3倍载荷频率,可采用静态（或者准静态）疲劳分析方法,如果结构的固有频率与载荷的频率接近,此时需要采用动态疲劳分析方法.而对于在随机载荷作用下的零件进行疲劳要进行瞬态疲劳分析方法.

3疲劳寿命S———N方法预测方法

疲劳寿命的估算主要分为裂纹形成阶段寿命估算和裂纹扩展阶段寿命估算两部分.常用的疲劳寿命计算方法包括名义应力寿命法、局部应变寿命法和裂纹扩展计算法.针对样例的分析方法,这里只介绍S－N方法.

名义应力法,又称S－N方法,强调了长疲劳寿命和耐久性的限制,或者是检测定疲劳失效不会发生时的安全应力.它以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础,利用了名义应力或局部应力和寿命之间的关系,主要应用在线性弹性应力的分析中.其设计思路是：从材料的S－N曲线出发,再考虑各种影响系数的影响,得出零件的S－N曲线,并根据零构件的S－N曲线进行抗疲劳设计.当使用S－N曲线的水平区段———疲劳极限进行设计时称为无限疲劳设计.当使用S－N曲线的倾斜部分进行抗疲劳设计时称为名义有限寿命设计.

4路面载荷时间历程的获取

采用有限元疲劳分析方法,一个很重要的步骤就是获得用于疲劳分析的路面载荷时间历程,该数据可以用以下任何一种方法获得.

（1）试验法

在路面耐久性试验时测量某固定位置的载荷.

（2）直接来自路面载荷数据库或经验数据库

以汽车企业长期积累的相关车型的路面载荷数据库或者典型零件的经验载荷数据库等作为参考载荷进行疲劳分析.

（3）半理论分析方法

根据部分位置的测量载荷,通常为轮轴的载荷,利用多体动力学等方法可以得到其他连接位置的载荷.

（4）全理论分析方法

无需进行试验,仅通过多体动力学或者虚拟实验场（VPG）仿真技术获取悬架和其他位置的路面载荷时间历程.

本文实例是建立多体动力学仿真模型获取构件需要部位的载荷时间历程.

5工程分析实例

采用通过多体动力学仿真软件ADAMS,直接从系统载荷谱求得结构的动力响应时间历程,采用有限元法计算出关键结构部件上各个关键危险部位的应力,最后结合材料的基本疲劳性能数据进行结构寿命估算.系统载荷可以是实际的载荷、位移和加速度等等.多体动力学分析的结果是部件的载荷历程,可以加快结构的疲劳寿命分析,比如对于载荷历程中结构的无损伤部分就可以被忽略.

根据目标悬架中零部件间的相对运动关系,定义零部件的拓扑结构,对零部件进行重新组合,将没有相对运动关系的零部件组合为一体,确定重新组合后零件间的连接关系和连接点的位置,计算或测量重新组合后的零部件质心位置、质量和转动惯量,确定减振器的阻尼特性和弹簧的刚度特性,定义主销轴线,输入车轮的前束角和外倾角.不允许过约束的运动,橡胶轴承和弹簧属于柔性连接,它们在发生运动干涉的部件之间产生阻力,阻止进一步的干涉发生.检测定各铰链处的橡胶轴承在各个方向上的刚度相等,在相应的位置施加轴套力.

5.1仿真结果

对于悬架系统,采用额定载荷作用下的单轮跳动进行仿真.采用B级路面谱模拟路面状态（图1）,用C语言编辑路面谱,将.txt的程序文件读入ADAMS.

由悬架的仿真分析是为了对其中的转向节进行进一步的有限元分析和疲劳寿命计算,得到的转向节在竖直方向的受力随仿真时间的变化,经过仿真动画计算,得出转向节上端受力的载荷时间历程.（图2）

根据动力学仿真分析的结果,通过确定坐标标记确定ADAMS输出的构件为刚性构件即下控制臂.载荷的作用点为下控制臂球头销连接处,在载荷的作用点设置坐标标记以获得作用点的载荷值,同时可以指定载荷作用点的节点号（在有限元分析中,MSC系列软件将自动的匹配运算确定节点号的对应关系）,输出仿真50s时刻下控制臂的载荷历程信息.由ADAMS计算输出路面载荷谱.DAC文件.

5.2建立有限元模型

建立有限元模型.在PATRAN中采用Tria6和Tet10单元对其进行划分,划分完后模型的单元数是9310个,节点数4656个.

针对水平路面的情况,仅模拟了垂直跳动的工况.该模型采用下列约束条件：①在与车身连接的孔和销约束三个方向的移动自由度；②在与悬架的转向节的配合孔面上约束Y方向的位移.

5.3强度计算及结果分析

该下控制臂所用的材料弹性模量E＝200GPa；泊松比v＝0.3；定义其为各向同性结构材料.对其进行一般工况的应力计算.有限元计算后应力云图（图3）如下所示：

下控制臂最大应力值为155MPa,材料的屈服应力值为540MPa.因此,静力学计算出的结果相对材料破坏值是远小于屈服值的,不会使部件发生破坏.下面要对下控制臂进行疲劳校核计算.

5.4部件材料的S－N曲线的获得

通过试验方法获得材料疲劳性能一般通过成组法测定S－N曲线,选取4～5级应力水平,从高到低进行试验,试验后将对数疲劳寿命的中值或均值在对数坐标上进行线性回归,即可得出S－N曲线的斜线部分,再将此斜线与疲劳极限确定的水平线光滑连接,即可得出完整的S－N曲线.这里由文献,由二参数S－N曲线的测定方法,用最小二乘法得出S－N曲线的拟合方程为：

———第j级应力水平的应力值；1gNj———下的对数平均寿命；I———应力水平级数.

在MSC.Fatigue软件中,可以通过输入材料的基本参数和特性指标得出S－N曲线.（图4）

6疲劳计算

由分析的结果可看出,整体上下控制臂的疲劳强度足够,疲劳寿命均超过了工程上循环10E6次的要求；存在疲劳强度薄弱处.但危险区最小安全因子1.03,安全系数偏小,存在疲劳破坏的隐患.最低疲劳寿命1.74E6次循环,载荷时间历程50秒,则下控制臂时间寿命1.74E650＝8.70E7秒,共计24167小时.若每天行驶8小时,换算后得到寿命约8.3年.因此,该下控制臂存在应力集中的现象,在长期的变化载荷作用下会产生破坏.由于条件的限制,无法进行试验对比,因此本文仿真结果有待试验验证.

7结束语

本文给出了结构疲劳分析和寿命预测的一些基本方法,并根据对某轿车下控制臂疲劳分析实例,对其进行了强度分析,确定了下控制臂的薄弱环节.进行以上分析可以得出结论：在对构件的设计中仅仅考虑静强度或常规的方法不能满足零件的强度和寿命的要求,进行抗疲劳计算是必要的.

按照本文计算方法,建立构件的三维CAD模型后,不仅可以进行静强度分析,还可以进行疲劳寿命分析,在产品开发阶段就可以预测其寿命,可在虚拟技术的基础上进行基于疲劳寿命的优化设计,大大地减少产品的试制费并缩短了开发周期.