基于试验的扭力梁悬架疲劳分析有限元模型的确定＊

黄妙华 罗欢 伊斯武

（1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2.国家汽车质量监督检验中心）

基于试验的扭力梁悬架疲劳分析有限元模型的确定＊

黄妙华1罗欢1伊斯武2

（1.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2.国家汽车质量监督检验中心）

为快速获得准确的扭力梁悬架有限元模型而提出基于试验的模型修正法，即在扭力梁悬架扭转刚度测试试验基础上，通过调整悬架减振器处的质点质量及模拟弹簧的梁密度，以修正扭力梁悬架有限元模型。将修正前、后扭力梁悬架有限元模型计算的刚度特性与通过试验获取的刚度特性进行对比表明，该方法能有效提高模型计算速度和精度。

1 前言

在行驶过程中，汽车整车及零部件会受到各种动载荷作用，动载荷会使整车及零部件内部产生较大的随时间变化的应力，从而导致零部件的疲劳损伤和破坏，扭力梁后悬架开裂就属此类问题，所以在整车及零部件研发过程中，对其进行疲劳寿命的估算和试验检测就十分必要。在开发初期对零部件的疲劳寿命进行预测的方法主要有试验方法和理论分析方法。试验方法一般采用对汽车零部件进行大量的台架试验和整车耐久性试验，试验费用高，周期长，且问题大多出现在产品设计完成之后，对设计更改带来一定的难度。理论分析方法是通过长期经验积累，从理论的角度分析零部件所受到的载荷循环历程、零部件结构特点和材料特性，并对其进行估算，该方法需以丰富的经验累计为前提，且多运用于小型零部件，而大型零部件因影响因素众多，很难准确预测其疲劳寿命。将试验方法和理论分析方法有效结合，实现试验加有限元分析的一体化疲劳寿命分析，是本研究开展的目的。本文在试验的基础上，采用改变扭力梁后悬架结构的方法，对快速建立准确的扭力梁后悬架疲劳分析有限元模型进行研究。

2 有限元模型的初步确定

为获得准确的扭力梁悬架疲劳分析结果，首先需要建立准确的扭力梁悬架有限元模型。由于扭力梁主要由板壳结构组成，其有限元模型主要采用4节点壳单元。为了保证有限元模型的精度，对高应力区或响应输出区单元的质量有比较严格的要求，故其单元格应较其它位置更精细且尽量减少三角形单元的使用；对于焊接部位采取共节点的方法；由于横臂上的直径较小的安装孔对结构应力分布的影响较小，故其可忽略不计。在Hypermesh中完成对扭力梁悬架三维模型的网格划分后，将有限元模型导入MSC.Patran中，并建立后悬架中其它结构的有限元模型。

与车桥相连接的减振器及弹簧由于受载荷后的运动轨迹并非直线，故不适合采取弹簧单元和阻尼器单元，又由于梁单元具有6个自由度，所以弹簧采用2节点的梁单元进行模拟。通过台架拉伸测试试验测得弹簧的弹簧特性接近线性，故采用线性特性对其进行模拟。在分析中设置模拟弹簧的梁的材料弹性模量具有的刚度与试验测得的一致。分析中对减振器采用具有6个方向刚度和6个方向阻尼的减振块单元进行模拟。减振器轴线方向的刚度和阻尼通过台架拉伸测试试验测得，其它方向的刚度和阻尼根据经验获取。有限元模型中钣金件材料参数中的弹性模量E=2.1×105N/mm2，密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比V=0.3。后悬架有限元模型如图1所示，其包括25 909个节点，25 877个单元。

为保证悬架模型与车身铰接处没有运动干涉，先用刚性杆单元连接铰接处衬套座中心孔周围的单元，并约束其只能绕孔的轴线旋转，再用较短的横向刚性杆（模拟销轴）连接刚性杆单元的主动节点和后悬架支架销轴孔的中心节点，并约束销轴孔中心节点除俯仰自由度外的其它自由度，以达到既避免运动干涉又保证后桥的自由度与实际吻合的目的。本文采用两种方法验证该约束方法的正确性。第1种方法是去除减振器、弹簧对扭力梁的约束，使扭力梁仅受铰接处的约束和重力的作用，计算扭力梁轮心处的垂直位移。计算结果为轮心处垂直位移变化很大。第2种方法是对包括扭力梁、弹簧、减振器的扭力梁悬架机构在扭力梁轮心处施加垂直方向不对称载荷，并互换左、右轮心处的载荷，分别计算两种工况下左、右轮心处的位移。计算结果为当互换左、右轮心载荷时左、右轮心位移也相应调换。由此验证悬架的有限元模型没有运动干涉。

3 扭转刚度试验

为获得扭力梁的实际扭转刚度特性，对扭力梁进行扭转刚度试验。试验过程为在扭力梁轮心处缓慢施加垂向载荷，并测量加载处垂直位移。左、右两侧轮心处施加的载荷历程如图2所示，试验中每隔6s获取1个试验值，共获得100个试验值。施加载荷处的垂直方向位移响应如图3所示。

4 有限元模型的修正算法

由于在建立后悬架有限元模型过程中忽略小直径的安装孔和小型连接件，简化焊缝、弹簧及减振器，导致悬架的有限元分析模型与实际结构之间存在误差。为了减少误差，在后悬架左、右两侧减振器处对称加入质点的质量和两侧模拟弹簧的梁密度，使悬架的扭转刚度与实际扭转刚度吻合以保证有限元模型的准确性。

误差分析采用双变量法，即模拟弹簧的梁密度和减振器处的质点质量两个变量，当梁密度为k、质点质量为j时，后悬架左、右侧加载点的垂直方向位移分析值和试验值的误差Dkjl、Dkjr分别为：

式中，Zkjli表示质点质量为j时，后悬架左侧加载点第i个时刻的垂向位移分析值；Ztli表示后悬架左侧第i个时刻的获得的垂向位移试验值；Zkjri表示质点质量为j时，后悬架右侧加载点第i个时刻的垂向位移分析值；Ztri表示后悬架右侧第i个时刻垂向位移试验值。

模拟弹簧的梁的密度范围是1×104～12×104kg/m3，减振器处质点质量范围为0～20 kg时，左、右两侧施加载荷处位移分析值与试验值误差如图4所示。

由图4可知，分析值与试验值的误差对于梁密度更敏感。采取单一变量法，固定梁密度为5×104kg/m3，调整质点质量得到有限元分析结果与试验结果中加载处的垂直位移响应对比图如图5所示。

综合考虑较小的误差值及左、右误差接近，取减振器处质点为6 kg。调整模拟弹簧的梁的密度范围为1×104～12×104kg/m3时比较悬架两侧加载处位移与试验值，对比结果如图6所示。

由图6可知，不同梁密度对应的误差结果差距很小，即悬架的扭转刚度对于模拟弹簧的梁密度不敏感。当减振器处节点质量为6 kg、模拟弹簧梁的密度为5×104kg/m3时，左、右两侧加载点位移响应的分析值和试验值的误差分别为4.5%、6.4%，此情况下计算分析结果和测试值如图7所示。由图7可知其波形一致，且误差都在10%以内。综合分析图5～图7可知，通过改变模拟弹簧的梁密度和减振器处质点质量两变量值来调整有限元模型的方法，能够提高模型的精度，并获得使有限元分析值与试验值一致的结果。因此，所提出的基于扭转刚度特性试验修正扭力梁悬架疲劳分析有限元模型的方法是可行和有效的。

5 结束语

研究确定扭力梁后悬架疲劳寿命分析有限元模型的方法，通过调节模拟弹簧的梁密度和减振器处质点质量以提高模型精度。分析结果表明，该方法使计算结果与试验值间的差距明显减小。本文采用的方法允许对有限元模型进行适当简化，减少了建模难度，提高了建模速度并且保证了建模精度。

1吴光强，李云超，盛云.基于虚拟试验场的后悬架疲劳试验分析.同济大学自然学报,2009,30（37）：1379～1382.

2涂启养,董大伟,阎兵.某液压模块式组合挂车强度及其疲劳分析.汽车科技,2011,3：53～56.

3张林波,柳杨,黄鹏程.有限元疲劳分析法在汽车工程中的应用.计算机辅助工程,2006,15（9）：195～198.

4沈磊，张守元，郁强.轮心六分力作用下悬架疲劳载荷谱提取.试验测试,2012,1:48～50.

5马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程.北京：清华大学出版社，2005.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2013年9月10日。

Determination of Fatigue Durability FE Model Based on Torsion Beam Suspension Test

Huang Miaohua1,Luo Huan1,Yi Siwu2
（1.Hubei Provincial Key Laboratory of Modern Automotive Technology,Wuhan University of Technology;2.National Automobile Quality Supervision Test Center）

To acquire accurate finite element model of torsion beam suspension,a correction method is put forward, which is based on stiffness test of torsion beam suspension，and which modifies the FE model of the torsion beam suspension by adjusting the particle mass at the shock absorbers and the density of the beam which is used to simulate spring.The stiffness characteristic calculated with FE model before and after modification is compared with that obtained by test,which shows that the proposed method can improve the speed and precision of model calculation effectively.

Torsion beam suspension,FEA model,Stiffness test

扭力梁悬架有限元模型刚度试验

U463.33

：A

：1000-3703（2014）03-0021-03

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2012-ZY-059）。