基于横向稳定杆的新的疲劳分析方法研究

李洋　柴宝明　张建涛

摘 要：疲劳是汽车设计的重要指标，近年来随着汽车工业的发展，汽车的疲劳设计正由无限疲劳寿命设计向着有限疲劳设计转变，因此如何更加准确地对汽车疲劳寿命进行预测已经成为当下迫切需要完善与不断创新的问题，文章对传统预测方法中存在的问题进行阐述，并应用一种新的疲劳分析方法对基于台架试验的汽车横向稳定杆寿命进行预测，并对其应用于汽车车身其他零部件以及基于道路铺的疲劳分析的可行性进行说明。

关键词：横向稳定杆；疲劳寿命预测；载荷；CAE

前言

近年来随着汽车行业的蓬勃发展，汽车产品的研发设计要求越来越严格。由于汽车在运动过程中主要承受动载荷，因此汽车零部件的破环形式一般都是疲劳破坏。针对此汽车零部件的疲劳寿命预测已变的尤为重要。横向稳定杆作为汽车的关键部件，具有防侧倾，改善舒适与平顺性的作用，文章对横向稳定杆的受力方式进行进一步探讨，说明横向稳定杆在以台架疲劳实验为基础进行两边对称位移加载时两边受力的不对称性，并通过abaqus有限元进行验证。以此说明传统疲劳计算方法中存在的问题，并以一种全新的计算方法进行疲劳计算，从而对其疲劳寿命进行准确预测。

1 横向稳定杆的受力分析

稳定杆台架试验时按照位移加载，两端约束x，y向自由度分别沿Z轴的正向与负向施加30mm位移并由此进行循环加载。此时由于稳定杆两端形变趋势不同，造成两端所受的力的大小与方向在空间上并不完全反向对称，因此随着加载过程的进行稳定杆转弯处A，B与其对称点A'，B'点的应力大小将变的不同。此情形将对之后进行的疲劳预测产生影响。

2 有限元模型验证

在hypermesh中对稳定杆划分网格，在稳定杆与副车架连接处建立衬套，衬套使用abaqus中CONN3D2单元模拟，衬套刚度赋经验值，网格基本尺寸为5×5mm，有限元模型如图2所示。

约束稳定杆两端x，y向自由度，约束稳定杆支架与副车架连接处全部自由度，在两端沿Z向分别加载30mm位移。应力结果云图如图3所示。

3 稳定杆疲劳计算

统计单元应力大小，通过材料SN曲线与循环次数计算疲劳，对应此次稳定杆疲劳计算，使用ncode软件进行疲劳分析，通常我们选取上面计算的应力结果，然后在软件中进行对称循环加载，即正弦波加载，根据公式1：

得到该载荷谱作用下单次循环过程中应力变化过程，再根据雨流计数法统计应力循环次数与幅值，通过miner法则与SN曲线得到单次循环损伤，其倒数便是各单元能够循环几次即各单元寿命，如图4所示。

依据台架实验情况，针对本次稳定杆计算所对应情形，由于实际加载时稳定杆左右应力结果不对称，在单次循环的上半段最大应力出现在A点，而下半段最大应力会出现在A'点。也就是说在单次循環中A点应力在上半段经过0→？滓maxA→0的变化。在下半段由于A点最大应力减小，A点应力变化为0→？滓A→0。而若仍使用正玄波加在根据公式1，A点应力在Ncode中的变化过程为0→？滓maxA→0→？滓maxA→0与实际情形不符，若？滓maxA？垌？滓A则疲劳结果将会失效，稳定杆疲劳由于存在大变形，两侧变形方式又不对称，所以此次稳定杆疲劳分析便属于上述情形。

4 新的稳定杆疲劳计算方法

针对上述情形，采用有限元法进行循环加在，在abaqus中完成单次循环并将单次循环应力变化过程输出，使用hypermesh对模型进行前处理，在稳定杆两端分别加载30mm位移并使用amplitude曲线使位移进行0→30→0→-30→0的正弦循环amplitude曲线如图5所示。

由此看出上半周循环时最大应力出现在右侧而左侧应力较小，下半周循环时最大应力出现在左侧而右侧应力较小。

使用Ncode，应用SN法计算疲劳，稳定杆材料为42CrMo，UTS为1000MPa，本次疲劳计算不再使用正弦波加载，而是直接从有限元结果中提取应力循环结果，完成单次应力循环统计，有效的消除了由于正弦波加载的线性特性而无法统计真实循环时的非线性因素，单次循环损伤如图8所示。

稳定杆寿命为life=1/damage=41W次并且左右对称。

稳定杆寿命为life=1/damage=13W次，且图上左侧寿命远大于右侧，左右不对称。

5 结束语

应用此种方法有效了消除了由于疲劳计算时对于应力线性变化的假设引起的疲劳失效误差，对于基于载荷谱以及载荷分解进行的疲劳计算。由于零部件在多通道载荷下受力更加复杂，因此零件本身的应力循环存在更多的非线性因素，也可应用此方法将多轴载荷谱导入有限元模型进行求解，以此求出零件的应力变化过程消除线性假设的影响，在大变形零件中尤其适用。

参考文献

[1]Ncode designlife theory 9.0[Z].