（工程力学专业论文）ModelY后桥疲劳CAE和试验验证.pdf

摘要 摘要 本课题来源于同济大学、上海大众汽车有限公司、上海汇众汽车制造有限 公司共同承担的上海汽车工业科技发展基金会项目“基于m o d e l - y 轿车道路试 验仿真分析完善底盘水平模块开发数据库，项目编号0 7 0 8 。为了分析汽车后 桥的疲劳性能，本次课题的研究从测试材料的疲劳性能开始。现已完成对后桥 所用钢材的高频疲劳试验、低周疲劳试验和裂纹扩展速率试验，并获得相应的 材料疲劳参数。通过在试验车上贴应变片和安装测量轮，就可以通过道路试验 来获得载荷谱和相应的应变信息。然后将所得到的材料参数和经过处理的载荷 谱数据输入计算机模型中进行计算机仿真分析便可以获得汽车后桥的应力应变 分布。计算机模型中的应变和同步测试的对应位置应变进行分析比较。通过调 整有限元模型以达到计算应变与实测应变基本吻合，此时认为计算机模型真实 地反映了后桥的实际受力情况。把实测的道路载荷谱输入有限元模型进行疲劳 寿命仿真分析，然后同模拟台架试验的结果进行比较。比较发现两者吻合良好。 通过对轿车后桥疲劳寿命的研究，完善和增强了企业数据库( 材料数据库和载 荷谱数据库) ，并且可以将研究成果应用到同类底盘后桥的开发中，同时对于提 升企业自主开发水平具有重要的理论指导和借鉴作用。 关键词：后桥，疲劳寿命，试车场，仿真分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es u b j e c to r i g i n a t e sf r o mt h ep r o j e c to f c o m p l e t i n gt h ed a t a b a s eo fc h a s s i s m o d e ll e v e lt h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i sb a s e do nr o a dt e s t ”，u n d e r t a k e nb yt o n g j i u n i v e r s i t y , s h a n g h a ih u i z h o n ga u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n gc o l t d ，s h a n g h a i v o l k s w a g e na u t o m o t i v ec o l t d t h en u m b e ro fp r o j e c ti s0 7 0 8 i no r d e rt oa n a l y s i s t h ef a t i g u en a t u r eo fr e a ra x l e ，i ti se s s e n t i a lf i r s tt og e tt h ef a t i g u ep a r a m e t e ro ft h e m a t e r i a l t h ef a t i g u ep r o p e r t yo ft h em a t e r i a li sg a i n e db yt h eh i g h c y c l ef a t i g u et e s t ， l o w - c y c l ef a t i g u et e s ta n dc r a c kp r o p a g a t i o nt e s t t h er o a ds p e c t r u ma n ds t r a i n i n f o r m a t i o ni sg a i n e db yf i x e ds t r a i ng a g ea n dw h e e lt r a n s d u c e r ( w f t ) t h e np u tt h e m a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dl o a ds p e c t r u mi nt h ef i n i t em o d e la n dr u nt h ea n a l y s i s ，f i n a l l y t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no fr e a ra x l ei sg a i n e d c o m p a r et h es t r a i no ff i n i t e m o d e la n ds t r a i ng a i n e df r o mt h er o a dt e s ta n dm a k en e c e s s a r ya d j u s t m e n tt om a k e t h e mb a s i c a l l yt a l l i e s p u tt h er o a ds p e c t r u mi n t ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la n dr u n f a t i g u el i f ea n a l y s i s ，a n dc o m p a r ew i t ht h er e s u l t so fv i r t u a lb e n c hf a t i g u et e s t b o t h o ft h er e s u l t sc o i n c i d ew i t he a c ho t h e rw e l l t h r o u g ht h es t u d yo ff a t i g u el i f eo fr e a r a x l e ，i tc a ni m p r o v e sa n de n h a n c e st h ec o r p o r a t i o nd a t a b a s ea n dt h ea c h i e v e m e n tc a n b eu s e di nt h ed e v e l o p m e n to fs i m i l a rr e a ra x l e k e yw o r d s ：r e a ra x l e ，f a t i g u el i f e ，p r o v i n gg r o u n d ，s i m u l a t i o na n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 再毒疋 矽7 年弓月枷 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 霈每久 7 1 0 口7 年乡月 第一章绪论 1 1 研究意义和工程背景 第1 章绪论 最近3 0 年汽车在中国取得了长足的发展，从奢侈品变代步工具。改革开放以 来汽车工业的革新与发展，已使我国成为汽车生产大国，被国际制造商组织列为 世界十大汽车生产国之一。2 0 0 7 年汽车产销量分别达n 8 8 8 2 5 万辆和8 7 9 1 5 万 辆，同比增长率为2 2 0 2 和2 1 8 4 。中国一举成为世界第二大新车市场和第三 大汽车制造国。但大并不代表强，发达国家汽车行业总产值占国民生产总值的 1 0 一2 0 左右，而我国却只有2 ，还有很大的差距。汽车行业要成为我国的支柱 产业还任重而道远。因此汽车工业必须尽快改变缺少自有品牌和自主知识产权 的现状，提高自主独立开发的能力，否则很难与国外大汽车公司竞争。为此， 各个汽车生产企业需要建立并完善自身的设计和开发机制，可靠的开发与实验 方法则是其中的一个关键环节。 汽车是高速运动并承载的机械，它在路面行驶时会遇到各种无法预测的随 机载荷，它的结构设计一定要考虑动态性能。虽然各大汽车公司对其生产的汽 车各个零部件在实际路面行驶中可能出现的随机情况进行了不懈的研究，取得 了很好的效果，但事故仍层出不穷。据统计，截至2 0 0 7 年1 1 月，在中国市场上 召回缺陷汽车已达1 3 0 多万辆，召回次数1 0 3 次，涉及4 5 家国内外企业多达1 0 7 款 车型。2 0 0 7 年汽车企业更是频频出现大规模召回事件。本田决定，从1 2 月1 7 日 起召回2 0 0 5 年1 2 月至2 0 0 7 年4 月间生产的2 0 0 7 款和2 0 0 7 年1 0 月生产的2 0 0 8 款讴 歌r l 轿车，在中国涉及车辆约1 1 5 辆；一汽大众汽车有限公司向国家质检总局递 交召回报告，在华召回部分进口奥迪q 7 汽车约4 0 7 6 辆，这批q 7 是由德国奥迪在 2 0 0 6 年6 月至2 0 0 7 年7 月期间生产的2 0 0 7 款、2 0 0 8 款；丰田公司将召回2 1 5 0 2 0 辆 汽车，这些车的输油管可能存在漏油的风险，这次被召回的汽车都是丰田的一 些高端品牌，包括雷克萨斯、皇冠以及锐志，召回汽车的生产时间是2 0 0 3 年1 2 月n 2 0 0 5 年1 2 月；长安福特马自达汽车有限公司从6 月1 1 日起召回2 0 0 5 年1 月7 日 至2 0 0 6 年1 2 月1 5 日之间生产的蒙迪欧2 o l 手动版轿车，召回总数为7 9 2 4 台：北京 奔驰一戴姆勒克莱斯勒汽车有限公司决定从6 月8 日起召回2 0 0 7 年3 月2 1 日n 5 月 1 第，章绪论 2 9 日期间生产的部分2 0 0 7 款克莱斯勒3 0 0 c 轿车共计1 4 4 3 辆。因此，汽车零 部件的可靠性仍然是各大汽车生产商( 及汽车零部件生产商) 必须考虑、非常 重要的问题。 轿车在行驶过程中，整车及各零部件都要受到各种交变载荷，这种交变载 荷通常低于拉伸强度极限，在这种交变载荷的反复作用下，会发生裂纹萌生和 扩展并导致突然断裂，这种现象称为疲劳破坏。这种破坏形式与汽车行驶的路 面情况等多种因素有关。因此，在技术改进和研究开发中，了解各种道路对车 辆零部件的动强度影响作用就具有极其重要的意义。通过实车道路试验，采集 各种典型道路的载荷谱，一方面可以编制成室内道路模拟试验的加载程序，在 试验室复现道路对汽车的作用；另一方面利用道路试验的载荷谱进行计算机仿真 分析，可以快速获得零部件的疲劳寿命。因此，在汽车的零部件的研究和开发 中利用试验与计算机仿真分析相结合的方法，可以明显节约成本、时间，从而 提高企业的市场竞力。 1 2 研究内容及技术难点 本课题来源于同济大学、上海大众汽车有限公司、上海汇众汽车制造有限 公司共同承担的上海汽车工业科技发展基金会项目“基于m o d e l y 轿车道路试 验仿真分析完善底盘水平模块开发数据库。本文研究针对上海大众m o d e l - y 桥车的后桥，以道路实验和计算机仿真相结合，用四个六分力测量轮在大众试 车场采集轿车轴头的荷载和轿车底盘关键部位应变信号和加速度信号。采用计 算与试验相结合进行计算机仿真分析，可以加快产品开发进程，从而形成类似 扭转梁式后桥算机仿真开发能力。 研究的具体内容和难点如下： ( 1 ) 材料的疲劳性能，包括高周疲劳、低周疲劳、裂纹扩展性能； ( 2 ) 道路试验方面主要内容： 1 ) 四个六分力测量车轮输入载荷，得到轮心载荷谱； 2 ) 应变片和加速度传感器测量，与六分力测量轮载荷同步进行 ( 3 ) 建立有限元模型并验证； ( 4 ) 进行疲劳寿命计算机仿真分析。 2 第。章绪论 1 3 研究现状概述 由于疲劳寿命本身的性质使得试验在疲劳的寿命预测中占据重要地位，而 计算机仿真分析( 即有限元方法) 具有耗时短、成本低、便于修改等特点，因此 各大汽车公司都不约而同的在新产品的开发中将两者结合起来使用。现将其发 展状况概述如下： 1 3 1 疲劳寿命的估算方法 总的说来到目前为止还没有一种既实用又足够准确的金属疲劳理论，疲劳 寿命的确定还要大量的依赖试验。常用的疲劳寿命估算方法有名义应力法和局 部应力- 应变法。名义应力的设计思想是从材料的s - n 曲线出发、再考虑各种影响 因素，得出零件的s n 曲线，并根据零件的s - n 曲线的斜线部分进行疲劳设计。 另外，由于斜线部分的疲劳寿命各不相同，因此在对材料的s - n 曲线进行修正时， 要考虑循环数对各影响系数的影响。同时有限寿命设计的设计应力都高于疲劳 极限，这时不仅需要考虑最高应力，还需要按照一定的累积损伤理论估算总的 疲劳损伤。局部应力一应变分析法的出发点：零构件的疲劳破坏都是从应变集中 部位的最大局部应变处首先起始，并且在裂纹萌生以前，都要产生一定的塑性 变形，局部塑性变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件。因此，决定零件疲劳 强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力应变。只要最大局部应力应变相同， 疲劳寿命就相同。因而，应力集中零件的疲劳寿命，可以认为与局部应力应变 相同的光滑试样的疲劳寿命相同，可以用光滑试样的应变一寿命曲线进行计算， 也可使用局部应力应变相等的光滑试样进行疲劳试验来模拟。 1 3 2 后桥的疲劳 后桥是汽车重要的承力构件，将荷载从车轮传递到车架或承载式车身，因 此后桥的安全对整车的安全具有十分重要的作用。汽车在行驶过程中受到的是 动态荷载，因此后桥的破坏属于疲劳破坏。后桥的疲劳是由后桥本身的构造和 受力状况决定的。通过道路试验测得荷载一时间历程，应变一时间历程，称为 工作谱或使用谱。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接应用于疲劳寿命 3u 第章绪论 的估算中，常用数理统计的方法将其进行处理，广泛应用的统计方法是计数法 中的雨流法。 1 3 3 计算机辅助工程 计算机辅助工程( 即c a e ) 其核心是有限单元法。有限元的基本思想是运 用离散化的概念，假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元 之间仅在节点处相连，单元间的相互作用力也仅由节点传递。根据物体的几何 形状、载荷特征、边界约束等，选取各类的单元。节点一般在单元边界上。在 此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来模拟其位 移分量的分布规律，即选择单元的位移模式。位移模式取决于单元的自由度和 有关的收敛性要求。再通过虚功原理，求得每个单元的平衡方程，也就是建立 单元节点力与节点位移之间的关系。最后，把所有单元的这种特性关系按照保 持节点位移连续和节点力平衡的方式集合起来，就可以得到整个物体的平衡方 程组。引入边界约束条件后解此方程。就可求得节点位移，并计算出各单元应 力。c a e 分析就是利用基于有限元方法的软件进行计算机仿真 4 第2 章材料疲劳试验介绍 第2 章材料疲劳性能研究 疲劳强度设计是建立在试验基础上的一门学科。只有模拟真实的载荷及使 用条件，对被研究的对象进行实物试验，才能正确地评价它们的真实疲劳性能， 验证疲劳设计的预期效果。但是，由于整机试验只能抽取极少的样机进行，而 零部件的疲劳试验虽不如整机试验接近实际，却比用标准试样接近工作情况， 所以重要零部件的疲劳试验是疲劳试验中的一个重要方面( 比如后桥台架试 验) 。在零部件的疲劳试验中，要消耗大量的零部件试样，对于不同的设计方案， 又要制作不同的结构的试样，很不方便。所以，一般多用结构简单、造价低廉 的标准试样进行疲劳试验。文献上给出的材料的疲劳性能数据，大多是用标准 试样得到的。 对于不同的疲劳特征，疲劳寿命计算时应采用相应的疲劳特性曲线。对于 应力较低的高周疲劳( 应力疲劳) ，用s - n 曲线；对于高应力的低周疲劳( 应变 疲劳) ，用x 6 - n 曲线；估算裂纹扩展寿命时，用d a d n k 曲纠1 1 。本文研究的 对象是m o d e l y 后桥，由后桥横梁、悬臂架、套筒、加强筋、减振器支座、弹簧 盘支座、稳定杆、法兰盘等部分组成。后桥的主体结构材料是钢材q s t e 4 2 0 t m ， 本章将以其疲劳性能为研究对象。 从宏观的角度看，在疲劳的整个过程中，塑性应变与弹性应变是同时存在 的。当循环加载的应力水平较低时，弹性应变起主要作用。当应力水平逐渐提 高，塑性应变达到一定数值时，塑性应变达到一定数值时，塑性应变的作用逐 渐成为疲劳破坏的主导因素，使应力寿命( o n ) 曲线随应力水平的提高趋于平 坦，如图2 1 a 。这表示当应力水平有少量的变化时，都会导致寿命有很大的改变， 或者说，用应力很难描述实际寿命的变化。如果将纵坐标应力。用应变来代替， 则由疲劳试验可得到一条光滑的应变寿命曲线，如图2 1 b 。从弹性应变为主导 过渡到塑性应变为主导，必然存在一个过渡寿命点。过渡寿命点的右侧，表示 低应力水平高循环区，是弹性应变为主导的区域；过渡寿命点的左侧，表示高 应力水平低循环区，是塑性应变为主导的区域。根据破坏时的循环次数的高低， 疲劳可分为高周疲劳( 或称高循环疲劳) 和低周疲劳( 低循环疲劳) 。高周疲劳 受应力幅控制，故又称应力疲劳。低周疲劳受应变幅控制，故又称应变疲劳。 5 第2 章材料疲劳试验介绍 一般以1 0 5 次循环作为高周疲劳和低周疲劳的分界点。 a 图2 1 洲曲线 b 通过对钢材q s t e 4 2 0 进行高周疲劳试验、低周疲劳试验、裂纹扩展试验，可 以发现材料的疲劳寿命在一定的应力( 或应变下) 具有明显的随机性，且应力 ( 或应变) 越大这种随机性也就越大；在双对数坐标下低周疲劳试验的结果拟 合曲线的偏差明显小于高周疲劳试验的结果。本次试验的方法和试验数据的处 理按照相应的国家标准进行。 2 1高周疲劳 如上所述高周疲劳主要用来描述由应力控制、循环次数较高( 一般大于1 0 5 次) 的疲劳，通常用材料的应力寿命( 即s n ) 曲线表示。 2 1 1 高周疲劳疲劳试验方法 疲劳试样的制备对所要测定的疲劳性能有直接影响。从切取毛坯到准备进 行试验，要经过机械加工、热处理、尺寸测量、表面检验及防护等阶段。机械 加工是为了获得所需的尺寸和表面光洁度，热处理是为了得到所要求的材料组 织结构和消除试样中的残余应力，表面检验主要是检验表面光洁度是否符合要 求；表面防护是为了防止机械损伤和环境腐蚀。 6 第2 章材料疲劳试验介绍 1 常规疲劳试验方法 常规疲劳试验方法，用于试样个数有限、生产任务紧迫或者为了节省费用 不宜进行大量试验时，用于测定材料或零件的s - n 曲线。试样中需要将应力水平 分级，至少分为5 级。高应力水平的间隔可取得大一些，随着应力水平的降低间 隔越来越小。常规疲劳试验方法是在每个应力水平下试验一个试件，所以费用 少，周期短，很容易实现。试验时，一般从最高应力开始，逐级降低应力水平， 记录在各级应力水平下试件的疲劳寿命( 破坏时的循环数) ，直到完成全部试验 为止。根据这些观测值，即可得s n 曲线。 应力比r 是在循环应力中最小的应力o m i n 与最大应力a ) 【的比值，当r = - 1 时 为对称循环应力。s n 曲线一般是在给定的应力比r 的条件下试验得出的。 对于钢材，如果试样在某一应力水平下经受1 07 次循环仍不破坏，则认为它 可以承受无限次的循环而不会破坏。因此，l o7 循环数对应的最大应力叫做“疲劳 极限”疲劳极限以符号a r 表示，这里甲表示应力比。例如对称循环时的疲劳极限 的符号为o 】。 测定疲劳极限可按下述方法进行。试样超过预定循环次数1 07 而未发生破坏， 称为“越出”。在应力水平由高到低的试验中，假定第六根试样在应力0 6 作用下， 没到1 0 7 次循环就发生破坏，依次取第7 根试样在应力0 7 作用下越出，并且两个应 力的差不超过0 7 的5 ，则0 6 和0 7 的平均值就是疲劳极限。如果差值大于0 7 的 5 ，那么还需要取第八根试样进行试验，使0 8 等于a 6 和0 7 的平均值。试验后可 能有两种情况： 第一种情况若第八根试样在0 8 作用下仍然超出并且差数( 0 6 0 8 ) 小于 0 8 的5 ，则可以认为疲劳极限介于0 6 和0 8 之间。 第二种情况：若第8 根试样在0 8 作用下为达到1 07 次循环就发生破坏，且差数( 0 6 - - 0 7 ) 小于0 7 的5 ，则可以认为疲劳极介于0 8 与0 7 之间。 根据在各个应力水平下测得的疲劳寿命n ，就可画出材料的s - n 曲线。绘出 s - n 曲线的方法有多种，一般可用直线拟合法。即纵坐标为应力。和横坐标为寿 命n 都取对数，并假设在寿命小于1 0 。次循环的区间中，双对数坐标的s - n 曲线 为一直线，于是在双对数坐标系中描绘试验数据点，用最小二乘法拟合直线， 得s - n 曲线。 2 成组试验法 7 第2 章材料疲劳试验介绍 由于疲劳寿命实验数据的离散性较大，所以按照常规疲劳实验方法在每个 应力水平下只用一个试样得到的s - n 曲线精度较差，只能用于对准确度要求不高 的疲劳设计。在成组试验法中，如何按照经济可靠的原则确定每组试样的数量， 是一个需要解决的问题。由于在大多数情况下，随着应力水平的降低，疲劳寿 命的离散性增加，所以，对于低应力水平，所用的试样个数要比高应力水平多。 为了要选取适当的试样个数，可从母体均值肛的区间估计式开始讨论： 舅一乞下s u i + 乞t sx 一乞了 u x + 乞下 ，ln 式中：i 一子样平均值5 s _ _ 子样标准离差； 卜子样容量。 当给出置信水平y = l 一口及自由度o = n - 1 时，乞可由文献 3 0 1 的附表一查得。 将上面的不等式移项，可以得到子样的均值i 的误差估计式： 一三牟 丝兰 a o 0 5 时，= 4 6 7x 1 0 4 1a - 1 3 朋，相关系数为r = 0 9 4 6 。从试验结果可以看 出，随着实验荷载的减小疲劳寿命的离散性变大，此时需要增加试验根数。通 过适当增加低应力水平的试件根数，获得的应力一寿命关系曲线( 双对数坐标 下) 具有较好的线性关系，相关系数达到o 9 4 6 。 采用升降法测疲劳极限：即在给定循环基数d = 1 0 7 周次下测定疲劳极限。 有效试样个数为1 4 根，试验时第一根试样的应力取a l = 3 9 5 m p a ，随后一根试样 的应力取决于前一根试样的试验结果。如前一根试样未达到1 07 周次发生破坏， 则随后的一根试样就在低一级的应力水平下进行；如前一根试样越过1 0 7 周次，则 随后的一根试样就在高一级的应力水平下进行。照此进行，直到完成全部试验，试 验结果见图2 4 。 巧 3 9 5 3 7 5 3 5 5 断裂0 未断 图2 4 疲劳极限升降示意图 数据处理时，在出现第一对相反结果以前的数据应舍弃，则疲劳极限砷0 5 及 标准差衢o 0 5 为： 0005：415x3+395x6+375x4+3553 9 0 m p = 3 v o ma o o 0 5 2 一 1 4 1 2 第2 章材料疲劳试验介绍 0 5 = = 17 8 5 m p a 按升降法测定的疲劳极限和成组试验法测定的平均疲劳寿命合并绘制s 一 曲线，见图2 5 。 斟m p a ) 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 2 2 低周疲劳 56 7l 一 图2 5 s 一曲线 低周疲劳主要用来描述主要由应变控制、循环次数较低( 一般小于1 0 5 次) 的疲劳，通常用材料的应变寿命( i i p e - n ) 曲线表示。 2 2 1 低周疲劳实验方法 低周疲劳试验方法，有控制轴向应变和控制轴向应力之分。由于试验时试 样的局部材料要产生塑性变形，所以进行应变控制时，试验装备提出了一些要 求。例如，为了保证试验过程中应变测量的精度，试验机机架应有足够的刚度； 试验机要能实现应变速度控制；夹持试样的系统要有好的同心度，以保证试验 机能可靠地将载荷传递给试样而不产生滑动和偏心；为了保证试样对中，夹具 最好能进行自位调整；试验机应配备精确的应变测量和控制装置、以及应力应 1 3 第2 章材料疲劳试验介绍 变的自动记录仪。 引伸记的类型可以是电机械式或光电式的。安装引伸计时要格外小心，以 防损伤试样表面而出现过早断裂。在每次试验前后，引伸计应进行标定。 低周疲劳试验需要准备好一组材料和尺寸完全相同的试样。对每个试样施 加不同的载荷，试样产生不同的应变。疲劳循环次数有计数器自动记录。这样， 就可以得到一组应变和破坏循环数的记录数据。对与控制应变的疲劳实验，还 可以分为控制总应变幅和控制塑性应变幅，所以采用控制塑性应变幅的实验， 更能揭示低周疲劳破坏的实质。但从试验的角度来看，控制总应变幅更方便。 因此试验得到的和数据一般是总应变幅与破坏循环次数，由此得到总应变幅度 和破坏循环数n 的关系曲线，如图2 6 所示。 垒量； 2i 0 图2 6 埘曲线 ( 1 巳一n ；2 乞一n ；3 g n ) n 总应变幅度等于弹性应变幅度与塑性应变幅度之和，为此可以根据材料力 学理论，从总应变幅度g 中计算出弹性应变幅度乞和塑性应变幅度郎，并 相应地画出乞一和a e p n 曲线。在双对数坐标系中乞一和a e p n 曲线 都可以近似地作为直线。这两条直线有以交点，交点的左边区域属于低周疲劳。 1 4 第2 章材料疲劳试验介绍 2 2 2 钢材q s t e 4 2 0 低周疲劳性能 由于试验材料为板材，厚度为4 5 m m ，为了能使试样在试验过程中不致失稳， 采用了标距为5 m m 的引伸计，应变方向为轧制方向，试验设备为i n s t r o n l 3 4 3 电液 伺服疲劳试验机，全应变控制，三角波，应变比r = 1 。试验过程中保持应变速率恒 定，将总应变幅t 2 分为1 0 7 8 、0 8 2 、0 5 6 1 、0 4 4 3 、0 3 11 、0 2 5 2 六级。每级试验做3 根试样，将每级试验的三根试样的寿命反复数2 n f i 更平均值， 应力也取均值，结果见表2 2 。 表2 2 循环应力一应变试验数据 t 2 ，a o 2 ，m p aa c j2 ， p 2 ， 2 n f 1 0 7 8 4 8 30 2 3 60 8 4 2 o 8 2 o 5 6 1 o 4 4 3 o 3 11 0 2 5 2 4 7 4 4 5 5 4 2 8 4 0 1 3 6 0 o 2 3 1 0 2 2 2 0 2 0 9 o 1 9 5 o 1 7 5 0 5 8 9 0 3 3 9 0 2 3 5 o 1 1 5 0 0 7 7 8 3 6 7 9 2 1 9 8 4 3 6 0 0 9 8 4 0 2 3 9 7 9 从表2 2 可得2 x s t 2 2n f 、2 2n f 及a e p 2 2n f 曲线，见图2 7 。 d e 2 1 0 电 1 0 - 酋 1 0 一 21 0 ，加1 0 5 弛 图2 7 应变一寿命曲线 血t 2 = 血e 2 + p 2 ，血e ，2 = a a 仁习 应变疲劳寿命关系式：2 刮( 2n r ) 6 ，锦2 _ j ( 2 f ) c 。循环应力一应变 1 5 第2 章材料疲劳试验介绍 特性：a a 2 = r ( 血p 2 ) 彬。从表2 2 用最小二乘法线性回归可得应变疲劳参数：循 环硬化指数n t = 0 1 18 ，循环强度系k = 8 6 7 m p a , 相关系数，= 0 9 7 5 ；疲劳强度系数 a f = 8 3 0 m p a , 疲劳强度指数b = 0 0 81 ，相关系数严0 9 9 0 ；疲劳延性系数s f = 0 5 8 9 ，疲劳延性指数c = 一0 6 5 8 ，相关系数，= 0 9 8 7 。因此q s t e 4 2 0 t m 应变疲劳性 能为：a a 2 = 8 3 0 ( 2 f ) 一o 0 8 1 ，吖2 = o 5 8 9 ( 2 f ) 一o 6 5 8 ，2 = 8 6 7 ( a e p 2 ) o 1 1 8 从每一级的3 根试件中取出一根作应力一应变关系图，并将其绘制在同一幅 图中，其结果见图2 8 。 。 ：么 一： 2 3 裂纹扩展试验 图2 8 不同应变幅度时o - s 关系图 对具有初始裂纹a 。的零件预估裂纹扩展寿命时，常用帕里斯公式( 见式2 3 ) 对捌积分。等号右边对比积分的上限为i 临界裂纹尺寸a 。临界裂纹尺寸口c 是 1 6 第2 章材料疲劳试验介绍 通过裂纹扩展到使应力强度因子k 达到临界k 。的条件来确定。因此，断裂韧性 k 。的测试方法是裂纹扩展的基础。 丽d a = c ( v k ) ” 2 3 1 裂纹扩展方法 ( 2 3 ) 本论文涉及到的疲劳寿命估算方法中未用到基于断裂力学的裂纹扩展法， 故这部分仅给出试验数据处理结果。 2 3 2 数据处理 采用c t 试样，宽度肜= 5 0 m m ，厚度4 5 m m ，线切割长度a d = 10 m m ，试验设备 为i n s t r o n l 3 4 3 电液伺服疲劳试验机，波形为正弦波，频率2 0 h z ，试验过程中保持 应力比r = 0 1 。裂纹长度测量采用读数显微镜，精度为0 0 1 m m 。图2 9 为裂纹扩展 速率d 口dn 与应力强度因子幅度k 之间关系。结果表明，d 口d n 与似间符合 p a r i s 公式，即d d n = c ( 肘其结果为 d a d n = 4 4 6 6 8 x10 。11 ( k ) 2 3 6 7 1 。 q s t e 4 2 0 - 4 5 r n m 爱技扩展麟a a t a d k 蕞田 图2 9 d 口d n 与k 关系 1 7 第3 章试车场道路试验 第3 章试车场道路实验 汽车行驶过程中车辆及各个零部件受到的动态荷载取决于道路形式和路面 状况。在汽车的研究开发过程中，了解各种道路对车辆动强度的影响作用，具 有极其重要的作用。通过实车道路试验就可以获得汽车在实际道路行驶中所受 到的荷载。为了减少试验周期和降低成本，许多实车道路试验都是在选定的试 车场内进行的。这种试车场在建造时充分考虑了车辆的使用情况，并在此基础 上进行了一定的强化，使在试车场行驶一定的里程就相当于在实际道路上行驶 数倍的里程本。本次实车道路试验在专为轿车研发修建的上海大众试车场进行。 实车道路试验就是将装有车轮六分力测量轮的试验车辆在试车场按照规定 的线路和速度行驶，并同步记录下汽车结构上关键位置上应变一时间历程、加 速度一时间历程以及减振器位移一时间历程。测量点位置的确定一般需要做静 载加载实验。 3 1 后桥静载加载实验 轿车是承载并高速运动的机械，工作时受到的载荷是动态载荷，汽车所有 构件都产生动应力，从而引起疲劳损伤。因此，汽车零部件设计必须考虑其动 态特性。然而静载荷试验简单易行，便于分析构件在一定的载荷作用下应力分 布规律，确定危险界面和危险点，同时也可以为有限元模型的验证提供依据， 因此常常需要做后桥的静态加载试验。 3 1 1 后桥总成结构简介 本课题研究的对象为复合梁扭转梁式后桥，由后桥横梁、套筒、悬臂架、 稳定杆、加强筋、弹簧盘、减振器支座、法兰盘等组成。后桥结构图如图3 1 所 示，v 形横梁开口向前，减振器和螺旋弹簧分离。螺旋弹簧上端通过橡胶减振元 件与车身相连，下端支撑在弹簧盘上。减振器上端通过橡胶支撑与车身相连， 下端用铰链固定在减振器支架上。 1 9 第3 章试车场道路试验 3 12 实验目的 图3 1 后桥总成结构图 1 基于后桥静态加载试验台架，测量分析该后桥在各测量工况下( 纵向加 载、侧向加载及垂向加载) 的静态应力应变实际分布状况。 2 通过静态加载试验测量分析，获得不同加载工况下( 纵向加载、侧向加 载及垂向加载) 各应变较大的测点，为课题下一步确定实车后桥应变测点及相 关部件台架加载试验提供可靠依据。 3 在各加载条件下，测量后桥相关测点的应力应变数据，为后桥有限元分 析模型的建立及修改提供参考数据。 313 静态试验应力应变测点确定 首先对后桥总成进行初步的有限元建模。根据试验要求，在计算机上进行 模拟试验加载，确定部分试验测点及主要应力应变方向。 后桥静态测点的选择主要依据是有限元分析结果，同时还考虑了如下情况： 1 一些感必趣的测点。本试验虽然主要研究的是后桥的疲劳强度，因此只 要找出后桥总成中的最危险点即可。但对于其他感兴趣的测点，譬如对室内道 路模拟试验的可靠性及准确性的进行监控的测点。或者是一些可以反映后桥受 2 0 第3 章试车场道路试验 力状况的测点也应进行关注。 2 根据上海大众实际使用情况的反馈和经验数据确定测点位置 31 4 后桥静态试验工况及载荷确定 1 实验工况的确定 轿车在实际的行驶中，后桥影响因素及受力都很复杂，而且很难实际测量。 为了重点考查后桥的受力变形特征根据轿车可能出现的行驶工况( 加速、制 动、转弯和直线行驶) 进行分析，采用台架实验来代替实车道路实验。按照实 车上的连接方式，将后桥固定在台架上，加载测量时用减振器连接。为了模拟 图3 2 侧向加载实验 轿车在行驶中的极限工况台架实验通常包括以下三种实验：纵向加载实验， 反映轿车制动时后桥的受力特性载荷纵向施加在后桥与车轮连接点上。侧 向加载工况，主要反映转弯行驶时作用于后轮接地点处的地面作用力对后桥的 作用。包括侧向力和侧向力矩的作用，采用加工板件代替车轮静力半径( 如图 3 2 ) 所示。 垂向力作用，主要反映轿车的重量及地面对车轮作用力共同作用 时后桥的受力特性。 第3 章试车场道路试验 2 实验载荷的确定1 酣 轿车后车轮所受到的最大垂向力和最大侧向力出现在汽车加速及转弯极限 工况，最大纵向力则出现在直线制动工况。下面对这两种工况分别进行讨论： 加速转弯极限工况： 假定在转弯加速行驶，左右车轮的垂向力乃、主要有三部分组成：静态 时的荷载、加速时的荷载和转弯时的荷载外移。 兄= 等一坐甓堕+ 乃= 等+ 坐筹坠+ 其中： 鸭后轮载荷5 m 汽车满载质量； 一附着系数； m x i t _ h o r i z o n t a 1 h g ( 3 - 1 ) 2 x l m x g _ h i o r i z _ o n t a l xh g(3-2) 2 三 唿- 质心高度； b 轮距； 三轴距。 采用摩擦圆的概念建立纵向附着系数与侧向附着系数之间的关系： i t - s i d e = 4 1 1 2 - i t _ h o r i z o n t a l 2 对于车轮垂向荷载求极大值，可得到侧向附着利用系数 i t _ s i d e = 以警) 2 。+ f ，挚 2 第3 章试车场道路试验 在左右后轮的侧向力 厶= g z l x g s i d e 巳= c x a s i d e 同理对车轮车侧向力求极大值也可以得到一个一s i d e ，此时同样也有 巳= f z l x g s i d e 易= 巴x g s i d e 直线制动极限行驶时 作用于后轮上的纵向制动力 f y l = f ：xg h o r i z o n t a l f w = f ：x g h o r i z o n t a l 由以上三中情况：加速转弯( 垂向力为最大) 、加速转弯( 侧向力最大) 和 直线制动分别求出左右轮的垂向力、侧向力和纵向力，在它们中找出最大的垂向 力、侧向力和纵向力即为所要的台架加载载荷。 3 2 测量轮简介 3 3 1 本文除采集作用于后桥轴头的六分力信号，即垂向力、侧向力、纵向力、 横摆力矩、俯仰力矩、侧倾力矩外，还采集应变信号。六分力的采集采用车轮 力传感器( w h e e lf o r c et r a n s d u c e r ) 。车轮力传感器( w f t ) ，习惯称之为测量轮， 近年来在汽车工程中得到广泛的应用。 车轮力传感器( w f t ) 可实时测量车辆在实际运行工况中，地面作用于轴 头的六分力，故可应用于车辆可靠性预测、平顺性及操纵稳定性优化、轮胎开 发、以及车辆动力学研究。但目前其主要应用仍然集中在为整车及零部件室内 道路模拟试验提供驱动道路载荷谱，其他方面的应用如数字模型的验证、为车 第3 章试车场道路试验 辆计算机仿真提供输入数据、轮胎参数的确定与优化、主动悬架设计、驱动及 制动力控制系统设计、平顺性及操纵稳定性优化等也日益增加。 随着应用领域的扩展，对测量轮有如下要求： 1 高分辨率； 2 高精度； 3 高刚度( 高共振频率) ； 4 不改变非簧载质量； 5 针对不同车辆及轮毂尺寸，可方便、快速安装。 因此目前国际上各大汽车公司都在新车的研发、试验过程中广泛使用车轮 力传感器。按不同生产厂家，目前市场上测量轮主要有g s e 、d a t r o n 、s o l d d 、 n i s s h o 、i g e l 、k i s t l e r 、v e l o s 等品牌。 由于价格较贵，目前我国仅有长春汽研所、上海大众等少数单位引进了测 量轮系统，并在产品开发试验中进行了初步应用，本文以上海大众汽车公司的 i g e l 测量轮为例，对其进行介绍。 3 2 1 测量轮结构及原理 i g e l 钡t 量轮是s t u t t g a r t 大学的i s d 研究所在9 0 年代初为a u d i 配套开发的， 现由i g e l 公司生产，见图3 3 。 i g e l 测量轮外观和普通轮胎相似( 见图3 3 ，左边为测量轮，右边为一般车 轮) ，安装简单，操作方便，测量信号精度高，并有适配器可配合不同轴头尺寸。 由于其重量和刚度和标准轮胎极为接近，故装有测量轮的汽车和普通汽车的动 力学特性基本保持不变，这一点在各工况的数据实时测量中极为重要。 车轮力传感器系统包括一个外观与普通车轮相似的测量轮、定子、电缆和 数据处理仪，如图3 4 所示。测量轮集成了力测量元件和轮毂电子装置。定子用 于非接触式供电和接收测量数据。电缆用于将数据由定子传到数据处理仪。数 据处理仪带有遥控器和处理软件，可在线进行漂移消除、数据的坐标转换和滤 波。经处理后的信号可输出到用户自己的数采系统，i g e l 公司也可为用户配套 数采系统。 2 2 1 第3 章试车场道路试验 3 22 设计特点 图33 测量轮外观( 左侧) i g e l 测量轮具有以下特点： 1 质量轻，刚度高。采用了以前只用于航空航天领域中的新材料碳纤维强 化树脂。由于该材料质量轻，而同时又具有高强度、高刚度、低热膨胀率的特 性，这样就可以保证在安装了力传感器和附属装置以后和标准车轮具有基本相 同的质量，并避免了弹性迟滞和高应力工况下测量精度的下降； 2 测量信号精度高。采用应变片作为力传感器，和压电传感器相比，不需 预加载，不论动载和静载都可精确测量。用于传输模拟信号的导线极短，尽可 能避免了电磁噪声的干扰； 3 使用简单、方便、灵活。车轮拆装方便；可用于不同尺寸的轮毂；模块 化的设计使调整简单易行；信号处理易于操作；可方便地与其他数采系统和p c 相连：数据格式通用性好； 4 可靠性高。由于采用了防水和防尘设计，可在恶劣天气和道路条件下进 行数据采集。 第3 章试车场道路试验 # ； e f 装w 图3 4 测量轮结构及数据传输示意图 3 3 道路载荷谱的采集 3 31 试验测试信号的选定 将汽车近似看作一控制系统，路面不平度的激励作为系统的输入，反映到 车身各部件的响应( 如轴头的力( 力矩) 、应变、位移) 作为系统的输出。 本课题在大众试车场测量了作用于m o d e l y 后桥的轴头六分力、关键点的 应变、减振器位移等信号为进一步进行道路载荷谱分析和疲劳分析提供测量 数据。 1 车轮六分力 在道路模拟试验时将以车轮轴头上六方向分力作为迭代目标，在进行后桥 疲劳分析亦需要将六分力作为有限元模型的输入载荷，故需要测量左右两侧车 轴处的六分力。为便于后期数据处理的方便，需要测量车轮的转角信号和车速 信号。试验使用的是德国k i t f l 盯- i g e l 公司测量轮( w l c t ) ，左右各一，分别装 于后桥原车轮位置处，实时测量不同路面和工况下作用于车轮轴头处的力和力 2 6 鳓峰 第3 章试车场道路试验 矩。输出信号包括六个力、六个力矩信号、两个车轮转角和两个轮速信号，共 十六个通道。 2 后桥减振器位移 为了考察在汽车行驶过程中车身相对车轮的位移，也即减振器的位移，用 位移传感器进行了测量。通过测量后减振器的位移信号，可为台架加载试验提 供位移参数。试验采用美国i s t 公司的位移传感器进行测量，左右各一，分别 装于左右减振器处。输出为两个通道的位移信号。 图3 5 减振器拉线位移测试图 3 应变 汽车系统在外界路面不平度激励的输入下，反映到车桥上的是车桥各部分 的应力、应变。在汽车行驶过程中，路面不平度引起的载荷是不断变化的，车 桥各部分处于主应力大小和方向均随机变化的复杂应力应变状态。 应变信号可用来进行估算疲劳寿命，验证根据有限元进行疲劳寿命预测方 第3 章试车场道路试验 法的准确性。同时作为后桥道路模拟试验的监控信号，为进一步进行道路模拟 技术的研究提供试验数据。 为了准确地确定车身上的应变测点，使得用最少的测点数获得尽可能多的 车身应变的信息，采用了静态加载试验与有限元计算相结合的方法，并结