1 概述

　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，對(duì)汽車的安全性和可靠性要求越來越高，對(duì)汽車零部件的疲勞壽命分析預(yù)測(cè)是汽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是汽車質(zhì)量的重要保障。傳統(tǒng)分析方法是基于實(shí)車，通過道路測(cè)試或者臺(tái)架試驗(yàn)來完成。缺點(diǎn)是周期長、耗費(fèi)大、安全性低。這就需要一種快速的有效疲勞分析和設(shè)計(jì)方法縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，進(jìn)而降低研發(fā)成本，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著虛擬樣機(jī)和虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，疲勞壽命分析虛擬仿真技術(shù)越來越多地應(yīng)用于汽車的開發(fā)過程中。

　　本文以某車麥弗遜獨(dú)立懸架的下擺臂為分析對(duì)象，通過綜合運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真、有限元和疲勞分析等手段，應(yīng)用疲勞累積損傷等理論，在基于HyperWorks的虛擬仿真平臺(tái)中完成了對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)，疲勞分析流程圖如圖1所示。

　　圖1疲勞耐久分析流程

　　2 前懸架虛擬試驗(yàn)臺(tái)架多體模型的建立與仿真

　　2.1 多體動(dòng)力學(xué)模型與激勵(lì)

　　某車前懸架虛擬試驗(yàn)臺(tái)架多體模型如圖2所示，模型在MotionView中搭建，左輪和右輪輪心處加載垂向位移激勵(lì)、縱向載荷激勵(lì)、橫向載荷激勵(lì)和垂向扭矩激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)為六分力車輪力傳感器實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得，左右輪輪心激勵(lì)如圖3~圖6所示。

　　圖2前懸架虛擬試驗(yàn)臺(tái)架多體動(dòng)力學(xué)模型

　　圖3左輪和右輪輪心處垂向位移信號(hào)

　　圖4左輪和右輪輪心處縱向力信號(hào)

　　圖5左輪和右輪輪心處橫向力信號(hào)

　　圖6左輪和右輪輪心處垂向扭矩信號(hào)

　　2.2 多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

　　虛擬試驗(yàn)臺(tái)架模型仿真分析輸出下擺臂三個(gè)連接點(diǎn)(下擺臂外點(diǎn)、下擺臂前點(diǎn)和下擺臂后點(diǎn))的十五個(gè)載荷時(shí)間歷程，下擺臂三個(gè)連接點(diǎn)的載荷時(shí)間歷程如圖7~圖9所示。

　　圖7下擺臂外球鉸處縱向、橫向、垂向三方向載荷時(shí)間歷程

　　圖8下擺臂前點(diǎn)襯套處六方向載荷時(shí)間歷程

　　圖9下擺臂后點(diǎn)襯套處六方向載荷時(shí)間歷程

　　3 有限元模型的建立與參數(shù)設(shè)置

　　前懸架的零部件比較多，現(xiàn)選擇受力情況比較復(fù)雜的下擺臂進(jìn)行分析。

　　3.1 網(wǎng)格劃分

　　下擺臂模型如圖10所示。模型使用HyperMesh劃分，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)見表1。

　　圖10下擺臂有限元模型

　　表1下擺臂的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)

　　3.2 材料與屬性

　　計(jì)算中所使用的材料參數(shù)如表2所示，材料的S-N曲線示意圖如圖11所示。

　　表2下擺臂材料性能數(shù)據(jù)表

　　圖11材料SN曲線示意圖

　　4 疲勞分析部分

　　疲勞的定義為在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。

　　疲勞失效在是交變應(yīng)力作用下而產(chǎn)生，常表觀為低應(yīng)力脆性斷裂(宏觀上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂)，并且常帶有局部性質(zhì)，局部改變細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或工藝措施，就可增強(qiáng)疲勞壽命。它是一個(gè)累積損傷的過程，需要經(jīng)歷三個(gè)過程：

　　(1)裂紋形成，即在零件的高局部應(yīng)力處，較弱晶粒在交變應(yīng)力作用下形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋;

　　(2)裂紋擴(kuò)展;

　　(3)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)快速斷裂。因此，疲勞失效與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

　　RADIOSS疲勞分析方法是根據(jù)S-N曲線，應(yīng)用線性疲勞累積損傷理論進(jìn)行高周疲勞壽命估算，步驟如下：

　　(1)靜態(tài)分析確定結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)部位及相應(yīng)名義應(yīng)力;

　　(2)根據(jù)載荷時(shí)間歷程，確定危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力時(shí)間歷程;

　　(3)根據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正材料S-N曲線，得到零部件S-N曲線;

　　(4)應(yīng)用疲勞損傷累積理論，求出危險(xiǎn)部位的疲勞壽命。

　　下擺臂疲勞壽命分析結(jié)果如圖12，下擺臂在本次分析工況中危險(xiǎn)位置如果所示，最小循環(huán)疲勞壽命為7.297萬次循環(huán)，發(fā)生在下擺臂外球鉸的連接位置，但此處疲勞壽命過低的可能與此處的連接處理方式為剛性連接有關(guān)，其他位置的疲勞壽命均在25萬次循環(huán)以上。

　　圖12 下擺臂疲勞壽命分析結(jié)果

　　5結(jié)論

　　這是一套高度集成化的疲勞耐久性虛擬試驗(yàn)方法，與傳統(tǒng)實(shí)車試驗(yàn)及其它仿真方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)試驗(yàn)過程安全可靠，周期短，耗費(fèi)小。所采用的軟件全部為ALTAIR公司的HyperWorks產(chǎn)品，最大限度地減少了數(shù)據(jù)的傳遞損失。

　　(2)避免多通道的輸入輸出，整個(gè)流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，盡可能少地減少軟件操作上的錯(cuò)誤。

　　(3)作為虛擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性依賴于整個(gè)分析過程中的各種分析條件的真實(shí)性。因此，該分析在一般條件下可作為汽車設(shè)計(jì)的指導(dǎo)和依據(jù)。

　　零件計(jì)算機(jī)疲勞仿真能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)零件的疲勞壽命，直觀的顯示零件的疲勞強(qiáng)度薄弱處。與常規(guī)的疲勞試驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)疲勞仿真省時(shí)、省力，且不消耗零件，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，因此，計(jì)算機(jī)疲勞仿真是零件疲勞設(shè)計(jì)的重要手段，必將更廣泛的應(yīng)用到汽車零部件設(shè)計(jì)中。