疲勞壽命計算在制動盤罩殼結構優(yōu)化設計中的應用

吳 帥，張曉艷，王德宸 ，孫 玉，趙勇強

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

疲勞壽命計算在制動盤罩殼結構優(yōu)化設計中的應用

吳 帥1，2，張曉艷1，2，王德宸1，2，孫 玉1，2，趙勇強1，2

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

為解決某SUV車型在行駛過程中制動盤罩殼由于隨機交變載荷激勵引起的振動疲勞開裂問題，結合實際工程項目，基于Radioss的模態(tài)頻率響應結果進行振動疲勞壽命數值模擬。結合仿真分析結果，提出一種“圓形凹坑”特殊結構改善制動盤罩殼安裝孔局部區(qū)域剛度，達到結構優(yōu)化目的。對比仿真分析及耐久試驗結果表明，利用該分析方法不僅可以準確預測制動盤罩殼疲勞壽命薄弱區(qū)域，還可以利用“圓形凹坑”特殊結構提高部件剛度，起到結構優(yōu)化設計的同時，還能大大減少項目開發(fā)成本，有效指導設計人員進行方案選定和問題整改。

振動與波；罩殼；疲勞壽命；模態(tài)頻率響應；結構優(yōu)化

疲勞壽命在汽車領域受重視程度越來越高，其中重要的一個因素是因為汽車在行駛過程中受到不同頻率段的振動、沖擊、噪聲等動態(tài)交變載荷作用，交變載荷的頻率與汽車部件或總成的固有頻率分布范圍相重疊、接近時，零部件的局部區(qū)域便會產生結構共振導致的疲勞破壞現象[1–3]。

累積疲勞損傷是振動載荷引起構件失效的主要原因[4–6]，根據載荷（可以是沖擊載荷，也可以是一頻率段的載荷）對構件的模態(tài)頻率響應能夠得出位移、加速度、應力響應情況，以分析結果對模態(tài)振型做出直觀判斷，了解其結構的固有特性，其中模態(tài)應力更能夠清楚顯示結構吸收能量的分布情況。筆者首先針對制動盤罩殼模態(tài)應力集中的部位進行局部結構優(yōu)化，從而對局部剛度和模態(tài)進行改善，以避讓低頻區(qū)域共振頻率。其次基于模態(tài)頻率響應的方法，以道路載荷譜轉換的功率譜密度作為載荷激勵進行罩殼振動疲勞壽命預測[7]。此外通過樣件在路試過程中的表現來驗證仿真分析的有效性，有效指導制動盤罩殼結構優(yōu)化設計。

1 疲勞壽命及模態(tài)頻率響應分析理論

1.1 模態(tài)頻率響應分析 [8.9 ]

頻率響應函數描述的是輸出響應與激勵之間的變換關系，是確定產品結構振動特性（固有頻率、阻尼比、振型）參數不可缺少的一種途徑。

對于受簡諧激勵的多自由度系統(tǒng)，設系統(tǒng)質量、剛度、阻尼矩陣分別為[M]、[K]、[C]，激勵頻率和位移響應矢量分別為ω、x則系統(tǒng)運動方程為

其方程解位移x可表示為

將（2）代入（1），并將阻尼分別加到每個模態(tài)上，則每個模態(tài)為

參考利用NVH測試或其他手段獲得的共振頻率段，在模態(tài)頻率響應分析中設置響應的模態(tài)頻率范圍即可。

1.2 疲勞壽命分析

隨機載荷的長期作用會使結構產生疲勞，實際工程證明Dirlik[10]提出的將概率密度函數定義為一個經驗封閉表達式是迄今為止最好的方法，它適用于任何類型功率譜。其表達式為

式中n()

s是時間長度T，應力水平s下的循環(huán)次數；E(p)是時間T內的預期波峰數；則時間段T內，應力隨機過程在整個應力幅值域上引起的損傷D為

2 模態(tài)頻率響應及振動疲勞分析

2.1 項目介紹

根據疲勞耐久路試試驗司機反饋，某平臺SUV車型制動盤罩殼在三萬公里路試過程中螺栓安裝孔附近出現開裂現象（見圖1所示），在山路、比利時路、鵝卵石路等惡劣工況行車過程中有嚴重振動異響發(fā)生，嚴重影響整車NVH性能和制動性能。

通過拆解樣件并進行主、客觀評價發(fā)現，裂口由外側向內側延伸，有“撕裂”現象，其它兩螺栓安裝孔均有圓形凹坑無開裂現象，但螺栓孔附近磨損嚴重，多處位置漆膜已被完全磨損，且有反復彎折現象。斷口高倍顯微鏡下顯示（見圖2所示）呈沿晶斷裂特征，發(fā)現裂紋表面氧化腐蝕嚴重，僅有少數區(qū)域保留斷口原貌。初步診斷為交變載荷引起的振動疲勞開裂失效，為進一步驗證失效方式，進行基于模態(tài)頻率響應的疲勞耐久分析。

圖1 制動盤罩殼開裂圖

圖2 斷口SEM照片1200X

2.2 模型建立及分析計算

前處理利用HyperMesh軟件對2 mm大小的pshell單元進行網格劃分，利用Radioss模塊進行建模和求解，材料屬性為：密度ρ=7.69 ×10-9t/mm3，楊氏模量E=212 000 MPa，泊松比=0.286。

2.3 邊界條件

制動盤罩殼通過三個螺栓孔安裝在轉向節(jié)上，約束除輪胎上跳外的其它5個自由度，并將道路實測載荷譜（圖3所示）轉換成功率譜密度（圖4所示）施加在輪心位置，建立模態(tài)頻率響應分析及振動疲勞分析模型。

圖3 輪心加速度時間歷程曲線

圖4 輪心加速度功率譜密度曲線

2.4 分析結果

如圖5所示，制動盤罩殼螺栓安裝孔附近區(qū)域模態(tài)應力分布集中，最大應力8.549 MPa，與圖1所示的失效樣件開裂位置一致，受動態(tài)交變載荷的激勵是導致罩殼振動疲勞開裂的重要原因。

同時制動盤罩殼在該頻率載荷的激勵下最大危險點（與圖5所示最大應力集中位置一致）疲勞壽命為5.002×1010次（圖6所示）左右。

圖5 故障件模態(tài)應力分布云圖

圖6 故障件振動疲勞壽命分布云圖

3 方案整改及驗證

結合圖5和圖6所示的模態(tài)應力及振動疲勞壽命云圖分布情況，導致罩殼振動疲勞開裂的原因主要有：

1）外因：受不同路面工況的交變載荷影響，制動盤罩殼發(fā)生振動，螺栓安裝孔附近區(qū)域受螺栓約束作用，導致應力相對集中；

2）內因：制動盤罩殼螺栓安裝孔布置及附近結構不合理，

①罩殼螺栓安裝孔沿輪心半徑方向尺寸?。?/p>

②螺栓安裝孔數量3個相對較少；

③螺栓孔距離罩殼內邊緣過近。

由于這三種結構因素及螺栓約束作用，使制動盤罩殼螺栓安裝孔附近產生應力集中現象，導致開裂。

為解決此項問題，結合上述分析結果及項目實際開發(fā)成本（避免模具大幅度修改或重新開模）、項目終止時間的綜合考慮，在原有設計方案的基礎上，更改螺栓安裝孔局部結構，該方案類似于圓形凹坑結構（見圖7所示）。

圖7 制動盤罩殼

從制動盤罩殼整改方案分析（基于模態(tài)頻率響應的振動疲勞）結果（圖9、圖10）可以看出，方案整改后最大模態(tài)應力為1.398 Mpa，相對于原方案下降7.151 Mpa，罩殼局部優(yōu)化設計后最大危險點（螺栓安裝孔附近，與最大應力點位置一致）的疲勞壽命提高到1.117×1015次，相對于原方案而言，整改方案不僅整體局部剛度得到加強，對應的模態(tài)應力分布也相對均勻，無能量集中現象，結構優(yōu)化效果明顯。為進一步驗證方案實施效果，制作了整改方案罩殼樣件（見圖7（b）所示），試驗車5萬公里疲勞耐久路試結束后制動盤罩殼未出現振動疲勞開裂現象。

圖9 模態(tài)應力分布云圖

圖10 疲勞壽命分布云圖

4 結語

(1)本文以制動盤罩殼失效問題作為研究對象，結合制動盤罩殼的安裝特性及工作特性，基于模態(tài)頻率響應方法對罩殼進行振動疲勞壽命預測，利用該方法能夠快速分析問題真因，解決實際問題，工程應用價值大；

(2)分析結果顯示制動盤罩殼螺栓定位孔附近區(qū)域有能量集中現象，且與失效樣件開裂處基本吻合，結合模態(tài)應力、疲勞壽命云圖分布情況可以得出：內因是由于螺栓安裝孔布置數量和位置不合理及制動盤罩殼形貌設計不完善致使結構剛度不足，外因是與外界激勵或附近部件產生模態(tài)耦合共振綜合導致；

(3)結合仿真分析結果，提出一種“圓形凹坑”特殊結構的優(yōu)化應用，解決了螺栓定位孔局部區(qū)域能量相對集中的問題，這種特殊結構可以使螺栓定位孔附近區(qū)域剛度得到加強，使振動疲勞壽命薄弱區(qū)域結構得到改善，并通過實車驗證了整改方案的可行性；

(4)綜上所述，利用基于模態(tài)頻率響應分析的疲勞壽命分析方法和“圓形凹坑”的特殊結構有效結合，能夠指導產品優(yōu)化設計，改善產品性能。

[1]姚衛(wèi)星.結構疲勞壽命分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003：1-10.

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[3]闞萍，李源源，吳道俊，等.基于頻率響應分析的越野車車架疲勞壽命預估[J].車輛與動力技術，2011（2）：9-13.

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[10]T DIRLIK.Appliation of computers in fatigue ananlysis[D].Warwickshire:Warwick University,1985.

Application of Fatigue Life Calculation in Optimum Structural Design of Brake Disc Shields

WU Shuai1,2,ZHANG Xiao-yan1,2,WANG De-chen1,2,SUN Yu1,2,ZHAO Yong-qiang1,2
(1.Technology Center of Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,Hebei China;2.HebeiAutomotive Engineering and Technology Research Center,Baoding 071000,Hebei China)

To solve the fatigue damage problem of brake-disc splash shields of a particular SUV induced by random load excitation,their vibration-fatigue life is simulated based on Radioss modal frequency response results.According to the simulation results,a special structure called“round pit”is put forward for improving the local stiffness of mounting holes of the brake-disc splash shield for structure optimization.Comparison of the simulation results with fatigue testing results shows that the weak spots on the splash shield for fatigue life can be predicted accurately by using this method.Furthermore,the special structure“round pit”can be applied to increase the stiffness of components in order to optimize the structure design.Meanwhile,the project cost is efficiently reduced.

vibration and wave;splash shield;fatigue life;modal frequency response;structure optimization

O32；O422.8；TU112.23；TU834.36

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.027

1006-1355(2017)05-0128-04

2016-09-13

吳帥(1987－)，男，吉林省遼源市人，碩士研究生，機械制造及其自動化專業(yè)，現從事制動系統(tǒng)振動與噪聲控制工作。

E-mail:shuai.wu@outlook.com