商用车车架疲劳寿命仿真研究

张小雨

摘要：汽车车架是汽车的关键承载部件，易发生疲劳破坏。商用车车架进行扭转台架疲劳试验时，不满足车架循环次数20 万次寿命要求；需要采用有限元法模拟车架扭转疲劳台架试验，以找出焊缝开裂原因并提出改进方案，比较不同焊缝建模方法计算所得车架扭转台架疲劳寿命，确定与台架试验结果吻合的焊缝建模方法；对车架焊缝开裂风险位置进行结构优化设计，提升纵梁横梁接头强度，先用有限元方法验证车架优化方案满足寿命要求后，再将优化后的车架进行台架试验，车架未发生开裂。应用有限元方法预测台架疲劳耐久寿命，可以找出焊缝开裂原因并快速验证优化方案，缩短产品开发周期。

关键词：商用车；台架试验；疲劳寿命

疲劳耐久性是汽车的主要性能指标之一。汽车中大部分零部件的失效模式都表现为疲劳破坏。对于非承载式车身的车型，车架是整车的装配基体和承载基体，承载着汽车各总成，并承受着各种力及力矩。设计合理的车架是开发非承载式汽车重中之重，设计车架即不可过强，避免造成材料浪费，增加产品成本；又不可过弱，避免车辆寿命周期内发生开裂，对乘客造成伤害。因此，对车架疲劳耐久寿命预估是车架开发的重要内容。车架由不同厚度、不同形状的冲压钣金焊接而成，焊缝数量多且走势复杂，根据工程经验，车架疲劳失效主要发生在焊缝及其热影响区域，因此对焊缝及热影响区进行有限元模拟及寿命预测势在必行。某商用车车架在进行扭转疲劳台架试验时，车架第三横梁与纵梁连接处焊缝发生开裂，不满足车架疲劳寿命要求，因此，对车架焊缝进行模拟，预测车架焊缝疲劳耐久寿命、找出焊缝开裂原因并快速提出有效改进措施。

一、车架扭转疲劳台架试验

根据车架進行台架扭转疲劳试验，车架扭转疲劳台架试验模拟实车状态，把车架总成固定在台架试验台上，用专用夹具固定车架后弹簧座吊耳，可绕X 轴旋转加载装置与前弹簧座支架通过专用夹具连接，激振器作用通过加载装置Z 向加载，加载扭矩±2000N·m，加载频率3Hz，顺时针、逆时针各加载一次计一个循环。试验要求循环20 万次，车架焊缝及钣金均不能开裂。共做了三个车架的扭转疲劳台架试验，焊缝开裂位置均是第三横梁与车架纵梁连接处焊缝开裂，由台架试验结果可知，车架焊缝不满足20 万次寿命要求，亟需借助先进有限元方法找到焊缝失效原因，并提出有效改进措施。

二、车架台架静强度分析

1、车架焊缝有限元模拟。车架是由纵梁、横梁及支架组成的焊接总成件，纵梁、横梁及支架为薄板钣金结构，冲压钣金工艺简单，加工工艺引起材料性能变化不大，有限元模拟方法为抽中面选用PSHELL 单元、料厚赋予钣金实际料厚模拟，已经过试验验证方法有效。而车架焊缝数量多，分布广且是车架易失效风险位置，焊接焊缝时，焊缝本体及母材在高温下发生材料性能复杂变化，如何用有限元方法正确模拟焊缝本体及焊缝热影响区，对准确评估车架性能意义重大。采用两种常用焊缝建模方法构建车架有限元模型，模拟台架试验规范建立有限元分析工况，并运用有限元分析结果进行车架扭转疲劳台架试验寿命预测。比较两种不同焊缝建模方法计算所得台架扭转疲劳试验寿命，选用与台架试验结果相吻合车架焊缝建模方法，并应用该有限元建模方法查找焊缝开裂原因，提出改进方案。

一般来说，焊缝可以通过rigid 单元、Weld 单元或Pshell 单元模拟，根据多年企业经验，采用rigid 单元、Weld 单元会导致有限元结果偏刚，并且rigid 单元不能赋予焊缝疲劳材料属性，因此不能采用rigid 单元、Weld 单元来预测焊缝疲劳耐久寿命。焊缝单元及相邻单元尽量采用四边形网格并保证良好的网格质量。研究表明，焊缝本体及焊缝热影响区材料疲劳耐久属性相近且均与钣金母材不同，因此焊缝本体及热影响区属性要区别于钣金母材单独赋予材料、料厚属性。通过比较两种不同材料、料厚属性Pshell 单元焊缝建模方法下疲劳耐久寿命结果，如表所示。

2、有限元分析静强度分析结果。依据企业钣金建模规范，划分车架钣金件网格，网格平均尺寸7mm，单元类型为CQUADR&CTRIA。依据台架试验方法，在左右前弹簧座施加±1220N Z 向载荷，等效于2000N·m 扭矩，约束左右后板簧吊耳，车架有限元分析模型，采用nastran 求解器进行静力分析，分析所得应力云图，如图所示。

两种不同焊缝建模方法应力分布云图相似，有限元分析应力集中处与台架试验焊缝开裂处位置一致，有限元模型分析结果具有可信性。车架第三横梁钣金材料为SAPH440，屈服强度为345MPa，而两种不同焊缝建模方法有限元应力结果仅为240MPa、180MPa，小于材料屈服强度，满足强度设计要求，车架扭转疲劳台架试验焊缝开裂不是强度不足引起的，而是耐久问题。因此，需要运用有限元分析结果进行耐久寿命预测，找到扭转疲劳台架试验焊缝开裂原因。

三、车架焊缝寿命预估

1、焊缝应变载荷历程。以采用方法焊缝建模方法所得焊缝开裂处起始单元应力为例，介绍焊缝应力载荷历程构建过程，由有限元静强度分析结果可知，加载顺时针扭矩时，开裂焊缝起始单元应力为240MPa，加载逆时针扭矩时，该单元应力为-203MPa，由疲劳理论可知，金属疲劳寿命与载荷幅值有关，与载荷波形无关[1]，因此采用单位三角载荷构造台架应力载荷历程，由Neuber 法则转换线性应力为局部应力应变历程，Miner 法则是基于对称循环应力应变进行计算的，因此再由Morrow 法则修正平均应力应变对寿命影响，转换成对称应力应变循环，以便于应用焊缝应变-寿命曲线进行寿命预估。如图所示。

2、焊缝寿命分析结果。将焊缝台架动态应变历程与焊缝应变-寿命曲线导入Design-life 中，求得车架焊缝寿命得出第三横梁与纵梁连接处焊缝寿命14 万次，焊缝建模方法预估疲劳耐久寿命已满足20 万次寿命要求，不能再现台架焊缝开裂问题。所得焊缝寿命不满足20 万次寿命要求，具有开裂风险，与车架扭转台架疲劳试验结果吻合，且开裂位置一致，可以采用模拟车架扭转台架疲劳试验以找到焊缝开裂原因、优化方案并快速验证优化方案。

四、车架优化设计

由有限元分析应力分布云图，第三横梁与纵梁连接焊缝处出现应力集中，刚度出现突变，第三横梁为避让发动机总成，Z 向向下弯曲梯度大，增加了扭转力臂，降低了车架整体扭转刚度；同时第三横梁与纵梁接头采用开口形式，接头刚度弱，导致焊缝开裂。因第三横梁走势无法更改，从更改接头形式方面入手，提出改进方案，解决焊缝开裂问题。在第三横梁与纵梁连接处增加加强件，建立实施改进方案的车架有限元模型，并进行静强度分析，应用静强度分析应力应变结果进行焊缝疲劳寿命预测。焊缝开裂处应力由240MPa 下降至108MPa。将静强度分析结果导入design-life 计算焊缝寿命，焊缝寿命为28 万次，满足20万次寿命要求。将实施改进方案的车架再次进行扭转疲劳台架试验，以验证改进方案有效性。进行台架试验的三个车架循环20 万次时均未开裂，证明改进方案有效。

结论

（1）车架进行扭转疲劳台架试验时，第三横梁与纵梁连接处焊缝开裂，分析对比两种不同焊缝建模方法，确定合适车架有限元建模方法，并进行静强度分析及寿命预测，分析结果显示，选用的有限元分析方法预测焊缝开裂风险位置与台架试验开裂位置一致。

（2）基于有限元分析结果分析车架焊缝开裂原因，并对车架进行结构优化设计，焊缝寿命由14 万次提升到28 万次，改进后的车架重新进行台架试验，在车架要求寿命周期内未开裂，满足车架寿命要求。

参考文献：

[1]扶原放，金达锋，乔蔚炜.微型电动车车架结构优化设计方法[J].机械工程学报，2013，45（9）：13.

[2]钱立军，吴道俊，祝安定.基于模态应力恢复的车架疲劳寿命计算研究[J].中国机械工程，2012，22（7）：74.

[3]李 亮，宋 键.商用车驱动桥壳疲劳寿命的有限元仿真与实验分析[J].机械强度，2013，30，（3）：07.