基于CAE的某前副车架前悬置支架开裂分析

鲍金秋 翁盛锋

（宁波汇众汽车车桥制造有限公司）

汽车副车架是支承前后车桥和悬挂的支架，使车桥和悬挂通过它再与车身相连。发动机前悬置支架是连接发动机总成前端与前副车架的重要零件，如果使用过程中发动机前悬置支架发生断裂或失效等情况，将会对发动机产生灾难性的后果；因此在设计发动机前悬置支架时，重要的设计要求就是保证其结构的强度和疲劳耐久性[1-2]。某车型在前副车架总成设计开发验证阶段中，多批次前副车架前悬置支架疲劳台架试验结果未通过相关试验标准要求，导致开发进度滞后，影响交付进程。文章利用CAE分析软件，模拟计算相应工况下前副车架前悬置支架强度及疲劳寿命，通过分析应力分布和疲劳危险点来改进焊缝布置和焊接工艺，达到了显著提升结构强度和疲劳寿命的目的，顺利通过了台架疲劳试验，节省了时间和成本，规避了拖延项目进度的风险。

1 nCode DesignLife疲劳分析理论基础

疲劳失效是结构失效的一个常见原因，经常受到周期性载荷作用的结构构件，其局部的应力集中极易引发裂纹的萌生并形成早期损伤，伴随着裂纹的扩展，结构的强度与刚度也将不断劣化，最终导致突发性灾难事故[3]。某车型副车架总成中，发动机前悬置支架在台架试验中结构所受应力比材料极限强度低，而载荷的循环次数很高（如104～109次），属于高周疲劳[4]。nCode DesignLife应力疲劳求解器使用名义应力法，根据材料的疲劳应力与疲劳寿命曲线（S-N曲线）对结构进行高周疲劳仿真分析[5]，分析需要掌握结构所承受的循环载荷、结构的几何（先期通过有限元分析软件得到的诸如结构应力等结果文件）及结构材料的疲劳性能3个主要信息。

1.1 载荷

DesignLife应力疲劳求解器支持时间序列载荷、时间步载荷及常幅载荷等不同载荷方式输入，在时间序列载荷中，载荷谱与有限元中的应力结果组合方式，如式（1）所示。

式中：σij（t）——以时间为变量的应力张量，Pa；

Pk（t）——输入的载荷谱，N；

Scale Factork——载荷谱缩放因子；

Offsetk——载荷谱偏移量，N；

σij,k,static——静强度计算结果中的应力，Pa；

Dividerk——归一系数，N；

k——不同载荷步数。

1.2 有限元分析结果

DesignLife 能 与 NASTRAN，ABAQUS，ANSYS，I-DEAS，MEDIA，HyperMesh及 LS-DYNA等典型的计算机辅助设计软件交换数据，支持静态、瞬态动力（模态叠加法和完全法）及频域响应等多种有限元结果，性能完善。

1.3 材料的疲劳性能

DesignLife自带大量的材料数据，标准S-N曲线可以被直接调用。对于未包含在数据库中的材料，可以利用材料抗拉极限值和疲劳寿命取对数后的标准差估计值预估材料标准S-N曲线[6]。通过对标准S-N曲线进行表面处理方法、应力组合方法、平均应力修正方法、多轴评估方法及应力梯度修正方法等参数的设定，获得符合工程实际的真实S-N疲劳曲线，用以进行疲劳分析。

2 工程案例介绍

某新车型前副车架总成设计验证（Design Verification简称DV）阶段初始结构，如图1所示；前悬置支架及前悬置支架加强板与前横梁连接焊缝布置，如图2所示。DV阶段前悬置支架台架试验项目的标准（如图3所示）为：X向加载，FX=-4～3.3 kN，循环50万次；频率：（3±2）Hz；50万次内支架本体开裂不超过10 mm，焊缝开裂不超过焊缝总长度的20%，且焊缝开裂长度小于20 mm；继续试验直到发现裂纹的扩展性（如快速或始终扩展）；零件进行150万次试验后无裂纹，停止试验。多批次试验结果显示，在目标疲劳寿命到达前，前悬置支架以及前悬置支架加强板与前横梁连接的焊缝附近本体发生结构开裂，疲劳裂纹沿焊缝边界扩展，不满足相关副车架总成台架试验规范要求。此时前悬置支架和前悬置支架加强板冲压模具成型模具已开，出于成本考虑，对于结构的改进方案有一定限制。试验结果，如表1所示。

图1 前副车架总成模型图

图2 前悬置支架及前悬置支架加强板与前横梁连接焊缝布置图

图3 前悬置支架试验装置图

表1 前副车架前悬置支架台架试验结果

3 静力学与疲劳仿真

3.1 静力学有限元分析

3.1.1 模型简化与网格划分

前副车架总成为冲压焊接结构，台架试验中约束前副车架4个连接套管，在前悬置支架螺栓硬点处施加相应载荷。将结构CATIA模型导入HyperMesh软件进行几何处理，去除小圆角及不重要小孔，取中面进行网格划分。以一维刚性单元模拟前悬置支架与发动机连接螺栓，同时创建一维耦合刚性单元，分别连接4个连接套管及对应参考点。最终网格为平均5 mm左右的线性减缩积分壳单元，壳单元厚度取实际零件板材厚度。有限元模型，如图4所示。

图4 前副车架总成有限元模型图

3.1.2 确定材料参数

零件材料除前横梁采用SPPS42外，其余冲压件均采用QStE420TM，材料相关性能，如表2所示。

表2 零件材料性能相关参数表

3.1.3 设定载荷与约束

根据前悬置支架疲劳台架试验规范要求，完全固定前副车架4个连接套管的6个自由度，在连接螺栓处施加X向循环载荷。因此，在静力分析有限元模型中约束连接套管参考点的6个自由度，在螺栓参考点处载荷取试验所加循环载荷的最大值，即沿全车坐标系X轴负向4 kN集中力。

3.1.4 静力分析结果

在HyperMesh软件中，对模型前处理完毕输出.inp格式的计算模型，用ABAQUS求解器做静力分析计算，后处理采用HyperView软件显示前悬置支架附近的应力云图，结果如图5所示。

图5 前悬置支架附近应力云图

由图5可知，各零件的最大应力（119.8 MPa）均未超出材料屈服强度（见表2），说明零件满足该试验条件下的强度要求。不足之处是台架试验开裂位置存在明显的应力集中。

3.2 疲劳分析

将得到的有限元静力学结果直接导入Ncode DesignLife疲劳仿真软件，用有限元后处理得到的应力计算结果来确定壳单元模型疲劳寿命。载荷谱直接由Ncode DesignLife中Input模块的Time Series Generator生成，根据试验实际情况，设置频率为5 Hz正弦周期载荷。由于载荷谱与静力学结果是相乘的关系，这里正弦载荷幅值取0.912 5，中值取-0.087 5，以使载荷谱与实际加载完全一致。由于本模型属于高周疲劳，故选择S-N疲劳分析引擎；由于软件自带数据库中不含本案例中零件所用材料，故采用在疲劳软件中直接输入材料的强度极限、屈服极限及泊松比等参数，利用软件自动计算拟合的方法得到原始S-N曲线，如图6所示。对S-N曲线进行修正，设定表面系数、应力组合方法、平均应力修正、多轴评估及应力梯度等修正参数并提交求解。

图6 前副车架相关材料原始S-N曲线

分析后得到的疲劳寿命云图，如图7所示。从图7可以看出，前横梁各开裂点寿命为32.2万～70.1万次，寿命为32.2万次的区域在实际结构中为2段焊缝相接点，该处横截面积较分析模型中横截面积大，故应力和应力集中程度较分析中要小，分析结果偏于保守，且试验中并未发生开裂。总之，疲劳分析结果与试验结果非常相近，说明计算结果可信。前横梁及前悬置支架加强板疲劳寿命分析结果不满足试验规范要求。

图7 前悬置支架附近疲劳寿命云图

4 结构改进设计与验证

4.1 改进方案

影响结构疲劳强度的因素包括应力集中、结构尺寸、表面状况及载荷状况等。提高零部件疲劳强度的措施可考虑合理选材，以达到强度、塑性及韧性间的最佳配合，也可考虑改进结构和工艺、表面强化以及表面防护等措施。根据分析结果，重点降低焊缝起/收弧处的应力集中，结合试验结果并考虑到已开模具和工程造价等实际限制，提出改进方案，示意图，如图8所示。取消前悬置支架加强板与横梁焊缝两端圆弧段焊缝，前悬置支架与横梁间焊缝根据以往工程经验进行工艺更改，改变焊接电流大小和焊接速度，并在焊缝起/收弧处增加适当的引出焊缝。改进后实物，如图9所示。

图8 前悬置支架焊接改进方案示意图

图9 改进后前悬置支架焊接实物图

4.2 计算分析及疲劳台架结果

建立改进方案的有限元模型并进行结构静力学及疲劳分析，结果如图10和图11所示。由图10可以看出，前悬置支架加强板与横梁焊缝周围应力明显下降，应力集中水平显著改善，疲劳寿命分析结果远优于台架试验标准要求。由于简化的分析模型不能体现工艺上的更改优化，对于前悬置支架与横梁焊接结构，分析结果仅表明焊缝附近应力基本不受焊缝缩短的影响，其疲劳寿命的提升不能在分析结果中得以明显体现。经过多批次样件试验验证，改进方案结构在150万次台架试验后未出现任何开裂现象，完全满足该项目疲劳台架标准要求，表明改进方案有效，且更改成本极低。

图10 改进方案前悬置支架附近应力云图

图11 改进方案前悬置支架附近寿命云图

5 结论

1）静力学及疲劳分析表明：原结构满足强度要求，但不满足疲劳耐久要求。

2）改进后结构满足疲劳寿命目标要求，顺利通过实际疲劳耐久测试。表明通过合理布置焊缝以及优化焊接参数可以有效地改善结构抗疲劳性能。

3）本静力学及疲劳分析结果不能体现焊缝焊接工艺的改进影响，如焊接电流大小、焊接速度及起/收弧处适当引出等。

4）静力学及疲劳仿真结果能预测危险断裂位置和疲劳寿命，快速响应结构优化对疲劳寿命的影响，给出产品改进和优化的方向。

5）利用CAE仿真计算技术，辅助发现结构问题，并计算校核改进方案的可行性，能有效缩短开发周期和减少开发成本。