基于實測載荷譜的某全域車懸架下控制臂疲勞壽命研究

鄒喜紅，茍林林，傅 雷，劉俚彤，袁冬梅，凌 龍

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054；2.重慶嘉陵全域機動車輛有限公司， 重慶 404100)

1 引言

全域車懸架下控制臂作為懸架機構(gòu)的主要零部件，實現(xiàn)全域車車身穩(wěn)定、導(dǎo)向及傳遞各種載荷至車體，下控制臂對全域車正常可靠運行、操作穩(wěn)定性及平順性具有重要作用。全域車行駛時，懸架下控制臂受到不同方向、不同大小的力及力矩，在長時間各種載荷的作用下，懸架下控制臂易發(fā)生疲勞失效，進(jìn)而導(dǎo)致車輛發(fā)生故障。近年來，學(xué)者們針對控制臂疲勞失效進(jìn)行了深入研究，如Zhu等采用慣性釋放法和多體動力學(xué)理論提取控制臂的載荷時間歷程，對乘用車懸架控制臂進(jìn)行了疲勞壽命仿真分析。Hafida Kahoul等對控制臂建立邊界約束，并在其襯套部位施加恒定振幅的垂直力，采用應(yīng)變壽命分析方法完成了控制臂疲勞壽命預(yù)測。

Ren基于經(jīng)驗法對控制臂進(jìn)行應(yīng)力分析并獲得了應(yīng)力結(jié)果文件，采用應(yīng)力-應(yīng)變法計算了在典型工況下控制臂的疲勞壽命。Sharma運用虛擬迭代法獲得控制臂危險位置載荷時間歷程，使用臨界平面法計算了控制臂危險點的損傷值。劉永臣等通過試驗獲得了控制臂的應(yīng)變載荷，運用雨流計數(shù)法，編制了控制臂載荷譜，采用局部應(yīng)力應(yīng)變法，完成了控制臂的疲勞損傷分析與壽命評估，鄭松林等以轎車下擺臂為對象，綜合考慮了控制臂各目標(biāo)測點載荷譜的特征及結(jié)構(gòu)的低載強化特性，提出了一種具有強化效果載荷的程序載荷譜編制方案，對汽車零部件耐久性失效試驗和模式的精確推斷具有重要意義。王紅民等對控制臂在拉、壓工況下，進(jìn)行了拉潰力和壓潰力分析，并提取危險部位的應(yīng)力應(yīng)變信息作為疲勞損傷參量，采用臨界平面法對控制臂疲勞壽命預(yù)測。

全域車相比于乘用車行駛路況通更加惡劣，懸架下控制臂所承載力和力矩更大、所受沖擊載荷更加劇烈，經(jīng)過長周期的使用后，容易導(dǎo)致全域車懸架下控制臂疲勞失效。采用逆向工程技術(shù)和有限元技術(shù)建立某全域車懸架下控制臂有限元模型，進(jìn)行自由模態(tài)分析，通過搭建懸架下控制臂模態(tài)試驗系統(tǒng)對下控制臂有限元模型進(jìn)行了模態(tài)試驗驗證，驗證了有限元模型的精確性。以某全域車在某試驗場越野路面上測試獲得的力信號載荷譜為輸入，以全域車實際運行工況建立邊界約束，對某全域車懸架下控制臂動力學(xué)仿真分析。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合動力學(xué)仿真分析結(jié)果中的應(yīng)力應(yīng)變信號，局部應(yīng)力應(yīng)變法及蘭德格拉夫損傷準(zhǔn)則對某全域車懸架下控制臂疲勞壽命進(jìn)行了分析。

2 有限元模型建立

采用逆向工程技術(shù)獲得懸架機構(gòu)的三維模型，三維模型如圖1所示。綜合考慮單元類型的精確度及網(wǎng)格劃分的難易度，采用高階四面體單元對懸架下控制臂模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，并對容易造成應(yīng)力集中的部位加密適量的網(wǎng)格，通過檢查網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)如翹曲比、雅可比及坍塌比等，確保網(wǎng)格質(zhì)量。某全域車懸架下控制臂結(jié)構(gòu)共離散為 1 365 610 個高階四面體單元，268 956 個節(jié)點。

1.螺旋彈簧;2.轉(zhuǎn)向節(jié);3.半軸;4.減震器與下控制臂 連接支架5.襯套孔;6.下控制臂

懸架下控制臂材料為鋁合金6082-T6，其材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，懸架下控制臂材料為塑性材料，其材料應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。在螺栓孔部位建立耦合點和局部坐標(biāo)系，用于施加載荷及建立邊界約束，懸架下控制臂有限元模型如圖3所示。

表1 鋁合金6082-T6材料參數(shù)

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 下控制臂有限元模型示意圖

3 有限元模態(tài)分析及試驗

3.1 計算模態(tài)分析

結(jié)合Lanczos法與有限元法對下控制臂進(jìn)行無約束邊界的計算模態(tài)分析，前4階計算模態(tài)的固有頻率及振型如圖4所示。

圖4 計算模態(tài)的固有頻率及振型云圖

3.2 模態(tài)試驗

..試驗系統(tǒng)搭建

懸架下控制臂模態(tài)試驗系統(tǒng)由激振系統(tǒng)、信號測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及被測試構(gòu)件組成，試驗?zāi)B(tài)系統(tǒng)流程如圖5所示。將懸架下控制臂采用橡膠軟繩懸掛方式模擬無約束自由狀態(tài)，采用移動力錘，固定傳感器的方式進(jìn)行懸架下控制臂模態(tài)試驗研究，有關(guān)狀態(tài)如圖6所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)獲得懸架下控制臂試驗?zāi)B(tài)的振型及固有頻率。

..激勵點與測點選取

參考懸架下控制臂計算模態(tài)結(jié)果的固有頻率及振幅較大位置，共選取44個激勵點，3個響應(yīng)點即在節(jié)點2、節(jié)點10及節(jié)點35號位置布置加速度傳感器作為響應(yīng)點，三向加速度傳感器采用非對稱方式進(jìn)行布置，消除加速度傳感器本身質(zhì)量造成的試驗誤差。參考下控制臂實物及有限元模型，運用LMS-Test.Lab 16A軟件建立懸架下控制臂模態(tài)試驗?zāi)Ｐ?，試驗?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

圖5 試驗?zāi)B(tài)系統(tǒng)流程框圖

1.橡膠軟繩;2.加速度傳感器;3.激勵點;4.轉(zhuǎn)接線

圖7 下控制臂模態(tài)試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D

..試驗過程與結(jié)果

進(jìn)行懸架下控制臂模態(tài)試驗時，依據(jù)采樣定理及參考計算模態(tài)結(jié)果，設(shè)定采樣頻率為5 000 Hz。為提高試驗精確性，各激勵點重復(fù)敲擊5次，并以每次敲擊產(chǎn)生的激勵信號與響應(yīng)信號之間的相干性判定試驗信號的精確性，如式(1)所示。懸架下控制臂模態(tài)試驗時，由于下控制臂構(gòu)件中存在阻尼及試驗時外界噪聲的影響可能導(dǎo)致激勵信號與輸出信號之間的相干系數(shù)不完全等于1，使得相干系數(shù)值偏低。為確保模態(tài)試驗結(jié)果可靠性，在進(jìn)行試驗時，須保證各測點大部分相干系數(shù)值在0.9以上，某些測點的輸入信號與輸出信號相干函數(shù)值如圖8所示。運用最小二乘域法則獲得懸架下控制臂試驗?zāi)B(tài)的固有頻率、阻尼比和振型，試驗?zāi)B(tài)結(jié)果如表2所示。

圖8 相干函數(shù)曲線

表2 固有頻率及振型參數(shù)的試驗?zāi)B(tài)結(jié)果

(1)

3.3 模態(tài)驗證

分析下控制臂試驗?zāi)B(tài)與計算模態(tài)振型及固有頻率，分析結(jié)果如表3所示，懸架下控制臂各階模態(tài)振型一致，計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)固有頻率結(jié)果存在相對誤差，產(chǎn)生這一誤差的原因有：1)有限元模型的簡化；2)在進(jìn)行計算模態(tài)分析時未考慮懸架下控制臂材料阻尼比，導(dǎo)致固有頻率存在相對誤差值。最大相對誤差值在8%以內(nèi)及懸架下控制臂模態(tài)振型一致，驗證了下控制臂有限元模型的精確性。

表3 模態(tài)分析結(jié)果

.

以某全域車懸架下控制臂為試驗研究對象，進(jìn)行某全域車道路載荷譜采集試驗，試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 懸架傳感器布置現(xiàn)場圖

全域車懸架下控制臂所承載力主要由減震器產(chǎn)生，對此，在全域車懸架機構(gòu)上布置傳感器，獲得了全域車在某試驗場越野路面上行駛時減震器與下控制臂連接處的力信號載荷譜，力載荷譜信號如圖10所示。

圖10 力信號載荷譜曲線

4.2 信號處理及分析

對所采集的力信號載荷譜數(shù)據(jù)采用幅值門限法、低通濾波及重采樣的方式進(jìn)行載荷處理。載荷分布規(guī)律是疲勞設(shè)計的前提，懸架下控制臂載荷即所受力信號是隨機載荷，運用雨流計數(shù)法對懸架下控制臂所受的力進(jìn)行統(tǒng)計分析，雨流計數(shù)法反映了材料的應(yīng)力應(yīng)變行為，能夠較為全面地反映隨機載荷的全過程。

采用雨流計數(shù)矩陣建立懸架下控制臂載荷均值與幅值的二維聯(lián)合密度函數(shù)，依據(jù)工程經(jīng)驗，運用雨流計數(shù)法獲得的汽車道路載荷譜，幅值一般服從威布爾分布，均值服從正態(tài)分布，控制臂載荷分析如圖11所示。懸架控制臂載荷服從這一工程經(jīng)驗，說明下控制臂實測載荷譜數(shù)據(jù)可靠，可用于懸架下控制臂的疲勞壽命研究。

圖11 懸架控制臂載荷分布圖和載荷雨流計數(shù)直方圖

4.3 動力學(xué)仿真分析

根據(jù)試驗車輛在實際行駛工況，對懸架下控制臂有限元模型建立邊界約束，與減震器連接部位建立耦合點并以實測力信號載荷譜作為輸入，進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。采用Mises準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變組合，如式(2)所示，動力學(xué)仿真分析結(jié)果如圖12所示。

(2)

式中:為某點的等效應(yīng)力；、、分別為、、軸方向的應(yīng)力分量；、、分別為作用在懸架下控制臂的切應(yīng)力分量。

綜合實際載荷譜和全域車實際行駛邊界條件，懸架下控制臂動力學(xué)仿真分析結(jié)果表明應(yīng)力和應(yīng)變最大值發(fā)生在軸套孔和擺臂連接處，其Mises應(yīng)力最大值和應(yīng)變值分別為321.68 MPa、0.043 5。

圖12 動力學(xué)仿真云圖

5 懸架下控制臂疲勞壽命研究

5.1 壽命預(yù)測方法

..局部應(yīng)力應(yīng)變法及修正

下控制臂受到較大載荷作用時，材料會發(fā)生屈服，綜合懸架下控制臂動力學(xué)分析結(jié)果及下控制臂材料應(yīng)力應(yīng)變曲線可得，懸架下控制臂應(yīng)力最大位置已進(jìn)入塑性變形階段，下控制臂應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再是線性關(guān)系。此時，懸架下控制臂疲勞失效主要受塑性應(yīng)變的影響。對此，本文采用局部應(yīng)力應(yīng)變法進(jìn)行懸架下控制臂疲勞壽命估算，局部應(yīng)力應(yīng)變法如式(3)所示。

采用局部應(yīng)力應(yīng)變法可以考慮到懸架下控制臂載荷順序的影響及此方法適用于結(jié)構(gòu)承受隨機載荷的疲勞壽命計算。本文根據(jù)懸架下控制臂載荷歷程及材料的局部應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)函數(shù)，對其進(jìn)行下控制臂疲勞壽命估算。

(3)

當(dāng)懸架下控制臂材料處于彈性范圍內(nèi)時，平均應(yīng)力對其疲勞壽命影響較大，當(dāng)材料出現(xiàn)布局塑性變形時，由于應(yīng)力松弛的作用，平均應(yīng)力對懸架下控制臂疲勞壽命影響較小，對此采用Manson-Coffin-Baquin的Morrow平均應(yīng)力修正公式對局部應(yīng)力應(yīng)變法中的彈性應(yīng)變進(jìn)行修正，修正后的局部應(yīng)力應(yīng)變法準(zhǔn)則如式(4)所示，

(4)

式中，為平均應(yīng)力。

蘭德格拉夫損傷準(zhǔn)則

蘭德格拉夫損傷準(zhǔn)則認(rèn)為，損傷由塑性應(yīng)變Δ與彈性應(yīng)變Δ比值來衡量，每個局部應(yīng)變?yōu)棣?Δ+Δ的應(yīng)變循環(huán)造成的損傷，損傷計算準(zhǔn)則如式(5)所示。

(5)

5.2 下控制臂疲勞壽命分析

根據(jù)材料抗拉強度及彈性模量等參數(shù)，估算獲得下控制臂材料相關(guān)疲勞參數(shù)。綜合下控制臂動力學(xué)分析結(jié)果，通過提取動力學(xué)分析結(jié)果中的應(yīng)力應(yīng)變信號作為疲勞壽命估算的輸入信號，并結(jié)合局部應(yīng)力應(yīng)變法和蘭德格拉夫損傷準(zhǔn)則對懸架下控制臂進(jìn)行疲勞壽命分析，計算流程如圖13所示。

懸架下控制臂疲勞壽命估算如圖14所示，懸架下控制臂損傷最大位置在襯套孔與長臂連接處，造成較大損傷主要原因為幾何形狀不規(guī)則容易造成應(yīng)力、應(yīng)變集中，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p傷加劇。懸架下控制臂疲勞損傷最大處即最小疲勞循環(huán)壽命次數(shù)為1386×10次。

圖13 疲勞壽命計算流程框圖

圖14 懸架下控制臂疲勞壽命估算云圖

依據(jù)Miner損傷理論估算可得到懸架下控制臂的總體壽命，總體壽命包括裂紋萌生與失效時的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)。在進(jìn)行全域車載荷譜采集試驗時，試驗車輛在越野路面上所行駛距離為2.57 km，根據(jù)試驗車輛在路面行駛距離及疲勞壽命循環(huán)次數(shù)，估算得到懸架下控制臂在越野路面上總壽命為3.56×10km，懸架下控制臂疲勞壽命符合設(shè)計使用要求。

6 結(jié)論

計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)振型一致，固有頻率誤差在8%以內(nèi)，驗證了有限元模型的精確性，懸架下控制臂在越野路面使用壽命即最小疲勞循環(huán)壽命為3.56×10km。

綜合考慮了懸架下控制臂的沖擊載荷、實際載荷對懸架下控制臂的疲勞壽命的影響，建立了一種基于懸架下控制臂實測力信號載荷譜的疲勞壽命分析方法，可為以后全域車懸架下控制臂設(shè)計及疲勞壽命估算提供參考。