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车身悬挂件疲劳分析介绍

2018-11-21 19:08:01·  来源:白广德 上汽安全与CAE技术  
 
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不完全统计,汽车上通过悬臂结构安装的悬挂件达数十种之多。单就前舱而言,就有多达十几个(根据各车型布置不同有差异),如:发动机、SCS(ABS)、蓄电池、警示喇
不完全统计,汽车上通过悬臂结构安装的悬挂件达数十种之多。单就前舱而言,就有多达十几个(根据各车型布置不同有差异),如:发动机、SCS(ABS)、蓄电池、警示喇叭、洗涤壶、膨胀水壶、ECU、大灯、TCU、冷凝器总成及保险丝盒等等(下图所示前舱部分悬臂支撑结构)。其它如天窗,油箱等等。
目前对于悬挂件的疲劳耐久性能主要有两种评价方法:静强度分析和振动疲劳分析。本文简单介绍一下静载和振动疲劳的分析方法及在汽车研发中的运用(本文中的疲劳仅指金属材料的疲劳)。
 
静强度分析 
 
根据金属疲劳定义:疲劳是指材料或者零构件在交变载荷作用下,在一定时间内产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在这个过程中金属材料均产生了不同程度的变形,而疲劳的产生就是这些变形导致的。同时根据疲劳产生过程,裂纹的形成或者说初始裂纹的产生,主要有零件应力集中和材料本身的缺陷两种。
静强度分析一般认为结构不会发生共振,在依据经验制定的标准载荷作用下,来考查零件的耐久性能。所以静强度分析的同时对结构模态也会进行限制,结构最低阶固有振动频率要求避开路面载荷共振频率。理论上当静应力小于强度极限时,不会发生破坏;小于材料疲劳强度极限不会产生耐久问题,但是静强度分析本身存在以下的问题:
* 静强度分析是以结构不发生共振为前提,而不同位置的结构共振频率与其本身的质量分布,结构刚度都有关联,难以用统一的模态标准来评价;
* 静强度工况载荷是依据以往经验制定,主要与结构质量相关,忽略了结构所在的位置,结构自身的刚度对载荷的影响。按照统一的载荷,难以对结构进行准确的定量分析。
振动疲劳分析 
 
振动疲劳是结构所受动态交变载荷(如振动、冲击等)的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相近,从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象,也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏[1]
振动分析分为时域振动分析和频域振动分析,实际中因为时域振动分析计算效率低下,一般都是通过傅里叶变换将时域信号转化为频域分布函数即功率谱密度函数(PSD)进行频率响应分析。
相对于静载分析,振动疲劳反映出结构固有振动特性,同时载荷(或者激励)来自实际路面,能更准确地描述零件的疲劳性能。
工程应用 
 
汽车在行驶过程中主要受到:加速与制动力(X-纵向力)、转向力(Y-侧向力)及路面激励上下跳动力(Z-垂直力);同时还受到来自发动机振动激励。
静强度分析:将零部件所受的三个方向的力通过在有限元模型上施加相应的加速度来等效;同时为了避免和发动机激励产生共振,要求悬挂件在整车状态下的一阶固有模态高于发动机怠速频率,分析过程简示如下:
振动疲劳分析:首先需要采集悬挂件相关位置典型试验路面的三向加速度信号作为激励信号形成PSD,然后将频率响应分析输出的应力频响函数和PSD及材料疲劳曲线叠加计算疲劳性能,要求累积损伤要满足使用寿命的要求,分析过程简示如下:
以某车型蓄电池安装结构为例,属于典型的悬挂件安装方式,分别用静强度分析及振动疲劳分析的结果如下:
根据分析结果,静强度分析应力最大位置在支架与托盘的连接孔周围,而实际失效位置在纵梁侧与支架连接孔处,这与振动疲劳的分析结果一致。

总结
本文简单介绍了静强度分析和振动疲劳分析的差异和两种方法在汽车研发中的应用,相对而言,振动疲劳由于其激励信号源自实际路面,同时考虑了结构本身的共振影响,能够更有效的预测风险;但是由于振动疲劳需要采集实车相关位置加速度信号,更适合在项目后期进行系统的全面评估,而静强度分析则相对简单高效,可以在研发前期对工程设计进行初步的评价考核,消除应力集中区域,提高耐久性能。

参考文献
[1]王明珠,姚卫星,孙伟.结构随机振动疲劳寿命估算的样本法.中国机械工程第19卷第8期.2008.4