汽車懸架橫臂疲勞壽命預(yù)測及可靠性強化系數(shù)研究

汽車懸架橫臂疲勞壽命預(yù)測及可靠性強化系數(shù)研究

雙橫臂懸臂懸臂是一種常見的懸臂式懸臂，是一個重要的支撐單元。在不平整的道路上行駛時，振動和打擊會產(chǎn)生各種動態(tài)載荷。這是典型的周期疲勞負荷。一般來說，橫臂的負荷消耗需要很長時間。為了縮短負荷試驗的周期，通常在不同的強化道路上進行疲勞試驗。為了實現(xiàn)車輛的共同負荷，增加系數(shù)是指車輛的特定部件在實際使用條件下和在可靠性增強試驗條件下的相同負荷，以及道路里程的比率。傳統(tǒng)的疲勞分析技術(shù)依賴于準確的試驗數(shù)據(jù),分析周期長,費用高.現(xiàn)代疲勞分析技術(shù)利用虛擬仿真分析技術(shù),預(yù)測零部件的疲勞壽命,大大降低了開發(fā)成本,縮短了周期.基于整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?將有限元分析方法、多體動力學(xué)以及疲勞分析技術(shù)相結(jié)合,利用虛擬疲勞耐久性仿真分析方法,預(yù)測了某轎車的前懸架上橫臂在B級路面以及汽車試驗場某種典型強化路面—搓板路上的疲勞壽命,進而確定了該強化路面的可靠性強化系數(shù).1啟動車輛連接模型1.1懸架系統(tǒng)的動力學(xué)建模通過各零部件的三維Pro/E模型獲得各零部件的幾何參數(shù)、質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)信息.前后懸架均采用螺旋彈簧和筒式減振器,減振器的壓縮和復(fù)原阻尼系數(shù)相等.彈簧的剛度特性參數(shù)和減振器的速度—阻尼力特性參數(shù)由設(shè)計人員提供.獲得整車各零部件的幾何、性能相關(guān)參數(shù)后,即可利用ADAMS的Car模塊建立某轎車的整車多剛體動力學(xué)模型.最終的整車模型主要包括以下幾部分:前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身、動力總成、制動系統(tǒng)以及輪胎等.其中前后懸架的結(jié)構(gòu)形式分別為雙橫臂式和多連桿式.1.2整車模型的求解經(jīng)過系統(tǒng)模型校核,整車模型共有133個自由度.由于車輛系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的多體系統(tǒng),大位移時具有強非線性,在求解整車系統(tǒng)動力學(xué)微分方程時仍然會因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致發(fā)散.在整車仿真時,首先進行裝配以確定初始構(gòu)型,然后進行靜平衡狀態(tài)校驗,在進行過多次仿真試驗和參數(shù)調(diào)整后,最后實現(xiàn)車輛在路面上的穩(wěn)定行駛.1.3前懸臂的柔性體建立利用ADAMS的Durability模塊可以獲得柔性體的動應(yīng)力.為了求得整車虛擬樣機模型在兩種路面上行駛時懸架橫臂的動應(yīng)力,需要在有限元分析軟件中對橫臂進行柔性化處理.將前懸上橫臂的三維實體模型導(dǎo)入MSC.Patran中進行前處理,建立好的上橫臂有限元模型如圖1所示,將其提交MSC.Nastran進行模態(tài)求解,并生成模態(tài)中性文件(.mnf),導(dǎo)入ADAMS/Car中,即可得到前懸上橫臂的柔性體。ADAMS/Car會創(chuàng)建必要的幾何實體用以顯示柔性體.1.4整車剛?cè)狁詈夏Ｐ团c整車多剛體模型相比,剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型只是將原多剛體模型中的上橫臂剛性體以柔性體來取代,并在模型中與其它剛性體間建立約束,其余零件、受力、連接方式等均未改變.所以只需在軟件中做出相應(yīng)的調(diào)整即可得到整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?如圖2所示.2在兩種情況下，車輛系統(tǒng)的模擬分析2.1基于波疊加法的b級路面模型由于路面輸入模型能否準確的反映實際研究的路面對懸架橫臂動應(yīng)力有很大影響,所以建立合理的路面時域模型非常重要.選用轎車常用路況—B級路面以及某種典型的汽車試驗場可靠性試驗壞路—搓板路作為仿真路況.1)B級路面采用諧波疊加法來構(gòu)建B級路面的時域模型.諧波疊加法是目前使用較普遍的方法,特別適合用于國標道路譜時域模型的生成.諧波疊加法擬合不平路面的原理是:設(shè)路面高程為遍歷的零均值Gaussian過程,將路面不平度表示為大量的具有隨機相位的簡諧函數(shù)之和,可以表示為式中:αk在(0,2π)區(qū)間內(nèi)服從均勻分布,αk相互獨立.根據(jù)上面的數(shù)學(xué)模型,用MATLAB軟件進行編程,即可得到B級路面的時域數(shù)據(jù),如圖3所示.分別對信號進行了正態(tài)分布檢驗和功率譜密度檢驗,結(jié)果表明,采用此種方法生成的隨機路面數(shù)據(jù)能夠模擬真實路面,為整車仿真提供了可靠輸入.2)搓板路面汽車產(chǎn)品開發(fā)、定型以及產(chǎn)品投放市場后不斷地改進等,都需要在汽車試驗場進行性能試驗和可靠性試驗.可靠性試驗壞路是為汽車可靠性強化試驗構(gòu)筑的試驗路.文中采用海南汽車試驗場的乙種搓板路作為仿真路況.乙種搓板路的路面縱剖面圖如圖4所示,它是一個近似的簡諧路面.2.2動應(yīng)力時間歷程利用ADAMS的Car模塊分別在兩種路況下對整車剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行仿真計算.整車模型在B級路和搓板路上的行駛車速分別設(shè)為60km/h和20km/h,仿真時間為10s,仿真步數(shù)為1000步.仿真完成后,即可利用ADAMS下的Durability模塊獲得上橫臂有限元模型在任意節(jié)點處的動應(yīng)力,并輸出MSC.Fatigue軟件計算柔性體疲勞壽命所需要的應(yīng)力時間歷程信息(.dac文件).3預(yù)測橫臂疲勞時間的預(yù)測和強化系數(shù)的求解3.1橫向彈性模量在MSC.Fatigue軟件中,可以通過輸入材料的基本參數(shù)和特性指標得出S-N曲線.已知橫臂材料為45鋼,其強度極限σb為600MPa,彈性模量E為210GPa,由Fatigue的材料數(shù)據(jù)庫管理器得到懸架橫臂材料的S-N曲線,如圖5所示.3.2懸架橫臂疲勞特性恒幅載荷作用下的疲勞壽命估算,可以直接利用S-N曲線.變幅載荷作用下的疲勞壽命預(yù)測需要借助于Miner線性疲勞損傷理論.整車模型在兩種路面上行駛時,懸架橫臂所受到的載荷均為隨機載荷.如果能夠?qū)㈦S機載荷譜轉(zhuǎn)化為變幅或恒幅載荷譜,則可利用上述方法分析疲勞問題.將隨機載荷轉(zhuǎn)化為一系列循環(huán)的方法有很多,文中采用雨流計數(shù)法對懸架橫臂所受的動載荷進行統(tǒng)計分析,將其轉(zhuǎn)化為一系列的全循環(huán)或半循環(huán),從而得到相應(yīng)的載荷均值、幅值和載荷循環(huán)次數(shù).3.3非零平均應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)換在基于疲勞壽命建立強化系數(shù)數(shù)學(xué)模型時,要采用Miner線性疲勞累積損傷理論估計汽車零部件的疲勞壽命.而Miner理論是基于載荷零均值假設(shè)的,它要求在每個載荷塊內(nèi),載荷必須滿足對稱循環(huán),即平均載荷為零.由于靜載荷的作用,由雨流計數(shù)法得到的懸架橫臂所受到的動載荷的平均值并不為零.因此,必須按等損傷的原則將非零平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)等效轉(zhuǎn)換為零平均應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán).非零平均應(yīng)力的等效轉(zhuǎn)換,可以根據(jù)Goodman疲勞經(jīng)驗公式進行計算,即式中:σa為應(yīng)力幅;σ-1為對應(yīng)于對稱循環(huán)載荷作用下的疲勞極限;σm為平均應(yīng)力;σb為拉伸強度極限.3.4懸架上橫臂的疲勞壽命在Fatigue軟件中,設(shè)置疲勞壽命求解方式為S-N法(名義應(yīng)力法),采用Goodman平均應(yīng)力修正方法,應(yīng)力參數(shù)選擇VonMises應(yīng)力,存活率設(shè)為96%,設(shè)置好材料參數(shù),即可求得懸架上橫臂在兩種路況下的疲勞壽命,其中,搓板路面上的疲勞壽命云圖如圖6所示.3.5在汽車試驗中，加強路面和加固系數(shù)的求解變得重要求出懸架橫臂在B