（材料加工工程专业论文）某型越野车车架支座及焊接接头的强度与疲劳分析.pdf

摘要 1 摘要 车架是汽车结构的重要组成部分，在实际行驶中承受着来自路面及装载的各 种载荷作用，是一个承受复杂空间力系的框架结构。北京吉普汽车有限公司生产 的某型越野车车身支架承受装载、车身、驾驶员等重量，在路试过程中个别车身 支架的焊接部位发生开裂现象，严重影响汽车行驶的安全性 本文选取该型越野车车身第三支架为研究对象，简要介绍了可用于汽车结构 分析的有限元法的基本理论，建立了车架支座及焊接接头的有限元计算模型，利 用a b a q u s 及m s c f a t i g u e 软件对其进行了强度和疲劳分析。 在对汽车车架支座及焊接接头的强度分析中，考廖了不同焊缝强度匹配和焊 接咬边的影响，研究了车架支座受静载荷作用下的应力应变分布及焊缝强度对焊 接接头应力应变分布的影响，找到了结构的薄弱位置，指出焊缝强度高匹配对改 善焊接接头应力应变分布有利 在有限元分析基础上，本文对汽车在不同路面行驶时车架支座的疲劳寿命进 行了预估，指出了结构的薄弱位置。在模型中考虑了焊接咬边的影响，研究结果 表明在焊接质量完好时能够满足车架支座设计寿命要求，存在焊接咬边的情况 下，焊接缺陷处较早发生疲劳破坏 本研究为车架支座的设计提供了理论依据，为合理制定焊接工艺提供了参 考，对该车的实际生产具有一定的指导意义。 关键词车架；有限元分析；焊接接头；强度匹配；疲劳寿命 a b s t r a c t v e h i c l e 矗锄ei sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l es l r u e t u r 鹤1 【1 l ec a rf l a n l ew h i c h b e a r sc o m p l e xs p a c ef o r c es y s t e m sa n dt m d e r t a k e st h el o a d i n gc o m i n gf r o ms t o w a g e a n dr o a d 朝阳f a d u r i n gn m n i n gi saf r a m e ds t r u c t u r e b e e a t 啪o ft m d e a a k i n gt h e w c i g ：h to f e a r b o d y , d r i v e r a n dc a r g o ，t h ec a i b o d yb r a c k e to f a g o - a n y w h e r ev e h i c l e , d e v e l o p e db yb e i j i n gj e e pc o q x 髓t i o nl i m i t e d , p r o d u c e dc r a c k i n gp h e n o m e n o na t s e p a r a t ew d d i n gp o s i t i o n sd u r i n gt h ep r o c e s so f t e s t i n g ， t h u st h ec r a c k so e e u r 捌g i v e s e r i o u si m p a c to ns e r v i c es a f e t yo f t h ev e h i c l e i nt h i sw o r k , t h et h i r d 谢b o d yb r a c k e to f t l a eg o - a n y w h e r ev e h i c l ew a ss e l e c t e d 勰 as t u d yo b j e c t f i r s t , ab r i e fi n t r o d u c t i o nw a sm a d eo ft h eb a s l et h e o r yo ff i n i t e e l e m e n tm e t h o dw h i e l a 湖b eu s e df o ra m l y s i so fv e h i c l es l r u e t u r e t h e n , t h ef i n i t e d e m e n t l f i o d e l w a se s t a b l i s l a e d f o r b r a c k e t o f e a r f l a m t ：a n d w e l d e d j o i n t s t h e r e a f t e r , 蜘g l ha n df a t i g u ea n a l ，出w a sc o n d u c t e df o rt h eb r a c k e to ft h e 谢f r a m l ：a n d w e l d e d j o i n t sb yl m a 衄o f a b a q t j sa n dm s c f a t i g u es o f t w a r e i nt h es t u d yo fs t r e n g t ha n a l y s i sf o rt l a el r r a e k e to f e a rf r l l m l a n dw e l d e dj o i n t s ，t l a e e f f e c to fw e l d 曲啪g 凼m a t e l a i n g 锄dw e l du n d e r c u tw e r ci n c l u d e d t h es t r e s s s t r a i n d i s l r i b u t i o l lw a si n v e s t i g a t e du n d e rc o n d i t i o no fs t a t i cl o a d i n ga n dd i f f e r e n tw e l d s t r e g t l am i s m a t c h i n g , a n dt l a ew e a k e nl o c a t i o nw 勰f o u n d e d i t i si n d i c a t e dt l m tw e l d s t r e g t l ao v e r m a t c h i n gw i l lb ei nf a v o ro f i m p r o v i n gd i s t r i b u t i o no f s 仃e s s s t r a i n o nt h eb a s i so f f i n i l ed e m e n ta n a l y s i s t h ef a t i g u ef i f eo f t h ec f l l t h d n l cb r a c k e tw a s i n v e s t i g a t e du n d e rc o n d i t i o no f c a rd r i v i n go nd i f f e r e n tr o a d 飘f a 阮a n dt h ew e a k e n l o c a t i o nw a sf o u n d e d i nt h em o d e l i n g , e f f e c to fw e l du n d e r c u tw a sc o n s i d e r e d t h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a td e s i g nl i f er e q u i r e m e n t so ff a t i g u el i f eo ft h eb r a c k e t s t r u c t u r e 啪b es a t i s f i e dw h e nt h e r ew a in ow e l du n d e r c u t i ti si n d i c a t e dt h a tt h e - r e g i o no f w e l dd e f e c tw a sf a i l e d 右巧t w h e nt h e r ee x i s t e dw e l du n d e r c u t t h es t u d yw i l lp r o v i d eat h e o r yb a s i sf o rd e s i g n i n gt h e rf l l l m b r a c k e ta n da l l e f f e e t i v er e f e r e n c ef o rd e t e r m i n i n gw e l d i n gt e e l m o l o g y n cr e s u l t sh a ws o r t i e d i r e c t i v em e a n i n gf o ra c t u a lp r o d u c t i o no f t h i sk i n do f g o a n y w h e l r ev e h i c l e 北京工业大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s rf r a m e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；w e l d e dj o i n t ；s t r e n g t hm a t c h i n g ； f a t i g u el i f e i v - 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塾! l i 垒日期；趁3 ：生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝2 ：生 第1 章绪论 1 1 课题的来源及背景 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于“北京市教委科技创新平台建设：汽车焊接技术转化平台”项 目。围绕汽车整车自主设计和制造的任务，与北京吉普、北汽福田等实力与技术 领先的本地企业紧密合作。以“产、学、研”结合的特点和优势，开展汽车车架 结构强度分析，其目的是为构建高技术化的汽车部件焊接制造及其知识集成的实 施平台做好数值分析和模拟计算工作 1 1 2 课题背景 汽车车架作为汽车总成的一部分，承受着来自道路及装载的各种复杂载荷作 用，是一个承受复杂空间力系的框架结构，而且汽车上绝大多数部件和总成都是 以车架为载体的【1 - 2 】，因而车架的强度、刚度和寿命在汽车总体设计中就显得非 常重要。 某型越野汽车是北京吉普汽车有限公司为全面更新我军现役军用越野汽车 而研制开发的新一代军用轻型越野汽车。在路试过程中，发现该型越野汽车车架 的个别车身支架的焊接部位发生开裂现象，严重影响汽车行驶的安全性。为了解 决这个问题，本文根据北京吉普汽车有限公司的要求对该型越野汽车车架支座及 焊接接头进行了强度和疲劳分析，为该型车的实际生产提供指导 1 2 课题的学术意义及实用价值 目前，汽车成了人们日常生活中的重要交通工具随着人民生活水平的提高 对汽车的舒适性、安全性等提出了更高的要求，但是我国汽车技术水平与美国、 德国等发达国家有着很大差距f 引，汽车的档次和技术含量低，特别是在自主开发 能力上与国外差距大，大多数车型都是引进和仿制国外的，即根据外方提供的成 型产品( 图纸和数据) 进行组装式的生产。提高汽车的技术水平，形成自主开发 北京工业大学工学硕士学位论文 能力，是使我国变为汽车强国的唯一之路。 汽车车架是整个汽车的基体，车架的质量好坏直接关系到整车的性能，本课 题以有限元技术为基础，结合现代计算机技术，采用a b a q u s 软件和m s c 公 司的m s c f a t i g u e 软件对越野汽车车架支座及焊接接头进行了有限元计算和疲 劳分析，为车架支座的设计提供了理论依据，为合理制定焊接工艺提供了参考， 以进一步指导该型车的实际生产 1 3 车架强度计算方法综述 1 3 1 车架结构计算分析概述 五六十年代，我国对于一般车架的设计及强度校核是依靠传统的经验及方 法，即依靠经典的材料力学、弹性力学、结构力学的经验公式，对车架的结构作 大量的简化进行分析设计，设计的结果依靠试验来验证，该法具有一定的可靠性 和科学性f 1 。 传统的经验分析设计方法，具有简单易行的优点，目前在我国的车辆设计中 仍起一定的作用同时，该法也有明显的不足，主要表现在以下两个方面嘲： ( 1 ) 由于经验设计带有相当的盲目性，每次车架的设计改进都不会有明显 的突破。使得其整体结构强度，刚度问题都不能得到合理的解决。而且设计周期 长，使得车架的更新换代的速度比较慢，不能与现代化商品生产竞争相适应 ( 2 ) 传统的经验设计，不能对车架结构的应力分布及刚度分布进行定量分 析因此，设计中不可避免的造成车架各部分强度分配不合理的现象。这样使得 整个车架设计的成本提高，而且某些部位强度不够，容易引起事故，某些部位强 度又过于富裕，造成浪费。从面使车架达不到优化设计的目的 由于经验分析设计方法以上的不足，生产厂家迫切要求一种能与市场竞争相 适应的新的设计方法，有限元方法就是其中的一种。 1 3 2 有限元发展与现状 。有限元法”这一名称是1 9 6 0 年美国的i l w c l o u g h 在一篇名为“平面应 力分析的有限元法”论文中首先使用的。它是随着计算机的出现而发展起来的一 种新兴的数值计算方法，能对工程结构中几何形状不规则、载荷和支承情况复杂 第1 章绪论 的各种结构及零部件进行应变计算和应力分析，这是经典力学所不能及的，具有 无可比拟的优越性。 有限单元法的基本思想是把一个连续体划分成有限多个彼此只在有限个节 点处相互连接的、有限大小的单元组合体来研究。也就是用一个离散结构来代替 原来的结构，作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分析计算就在这个离散 的结构上进行。有限元法之所以能够求解结构任意复杂的问题，并且计算结果可 靠、精度高，其中原因之一在于它有丰富的单元集，能够适应各种结构的简化。 对于结构分析而言，常见的结构单元类型包括梁单元、板单元、实体单元、弹簧 单元等，从而使我们能够非常方便的用有限元模型来描述分析模型。 就有限元法来说，4 0 多年来。它的应用范围已由弹性力学平面问题扩展到 空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题， 分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等。从固体力学扩展到流体 力学! 传热学、电磁学等领域。由此可见，随着计算机的飞速发展，使得有限元 法在工程中得到了广泛的应用。 我国有限元法理论研究始于5 0 年代末，冯康教授创立了一套现代化和系统 化求解微分方程的近似方法。取名为基于变分原理的差分格式。其内容实质就是 当时国际上称之为的有限元法，不同之处是我国是从数学方面提出有限元法的。 但是，我国有限元法应用比较晚，7 0 年代中期才开始推广和使用，目前有限元 法在我国工程方面应用极为广泛，并且创造出巨大的经济效益1 6 - 9 1 。 1 3 3 车架结构有限元法的研究现状 有限元法给车架设计分析提供了先进的手段，通过有限元计算可以使我们对 车架的受力情况有较精确的了解。在设计初期对车架进行有限元计算，可以找出 设计中存在的问题，为今后的车架设计提供重要的理论依据。由于车架结构的复 杂性和载荷复杂性，优化技术与有限元分析程序相结合，将会获得更好的效果， 这也是我们今后进行车架设计的方向【协1 3 1 。 国外将有限元法引入到车架强度计算比较早，而我国大约是在七十年代末才 把有限元法应用于车架的结构强度设计分析中。在有限元法对汽车车架结构的分 析中，早期多采用梁单元进行结构离散化。分析的初步结果是令人满意的，但由 于梁单元本身的缺陷，例如梁单元不能很好的描述结构较为复杂的车架结构，不 北京工业大学工学硕士学位论文 能很好的反映车架横梁与纵梁接头区域的应力分布，而且它还忽略了扭转时截面 的翘曲变形，因此梁单元分析的结果是比较粗糙的1 1 嘲。而板单元克服了梁单 元在车架建模和应力分析时的局限，基本上可以作为一种完全的强度预测手段， 其不足之处就是计算量较利用梁单元进行离散大为增加，至少在百倍以上。但近 十年来，随着计算机软件与硬件的飞速发展，为利用板单元进行车架强度分析提 供了有利的前提条件，板单元逐渐被应用到汽车车架结构分析中，使分析精度大 为提高，由过去的定性或半定量的分析过渡到定量阶段b 6 - i s l 实体单元由于计算 量很大，通常完整的车架分析计算很少采用 有限元法为复杂车架结构分析设计提供重要的基础，同时也促进车架结构分 析和设计的飞速发展。但运用有限元法对车架进行分析中也面临着一些问题，如 对整车进行模态分析时，各个部件如车架与驾驶室、发动机，货箱等结合处的刚 度与阻尼的确定；对汽车车架结构进行有限元动力响应分析的研究目前还很不成 熟；对近些年大多数国内汽车厂家已花巨资购买的各种与有限元分析相关的商业 化软件的学习、消化与吸收。 1 4 疲劳寿命预测国内外研究现状 1 4 1 概述 在机械零件和工程构件的三种主要失效形式( 磨损、腐蚀、断裂) 中，疲劳 断裂约占机械破坏事故中的5 0 - 9 0 1 9 j2 0 1 工程设备中，长期承受随机载荷构 件的疲劳破坏高达7 0 e 到9 0 , 4 。小到螺栓的断裂，大到桥梁倒塌、飞机失事、 钻井平台倾覆、高速列车铁轨的断裂等都有疲劳破坏的先例。疲劳破坏具有突然 性，事先没有很明显的征兆，常常导致灾难性豹生产和人身事故，给社会和经济 带来巨大的损失。因此，从1 9 世纪3 0 年代开始，理论界和工程界一直都在研究 疲劳破坏的机理及防治对策【2 1 i 在载荷的作甩下，它的基本特征表现为材料在 低于其强度极限的交变应力或应变的持续作用下，萌生多种类型的内部缺陷( 如 错位、滑移、孔洞、微裂纹、应力诱发相变等) ，并逐渐演化成宏观裂纹，以及 由于裂纹扩展而最终导致结构破坏的过程。 自从德国工程师a w o h l e r 为解决断轴闯题，实验测定第一条s - n 曲线开创 现代疲劳的研究以来，对于材料和结构疲劳行为的研究已有近1 5 0 年的历史，研 第l 苹绪论 究成果不断丰富。八w o h l e r 在1 8 7 1 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循 环应力的关系，提出了s - n 曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏 的主要因素。w - g e r b e r 在1 8 7 4 年研究了平均应力对疲劳的影响，提出了极限应 力幅印和平均应力二者之间关系的抛物线方程。1 8 9 9 年，英国人g o o d m a n 对疲劳极限图进行简化，提出了著名的简化曲线g o o d m a n 图，此图至今仍在广 泛应用。1 9 0 3 年j ae w i n g 和l c w h u m f e r y 通过微观研究，指出了疲劳破坏 是由与单调变形相类似的滑移产生的1 9 1 0 年b a i r s t o w 研究了循环载荷作用下 应力应变曲线的变化，测定了迟滞回线，建立了循环硬化和循环软化的概念， 并进彳亍了程序疲劳试验。对于变幅载荷下疲劳寿命的研究，1 9 2 4 年j p a l m g r e n 首先提出了线性累积损伤理论。1 9 4 5 年m am i n e r 在对疲劳累积损伤问题进行 大量实验的基础上，根据能量原理对累积损伤原理进行了理论指导，形成了 p a l m g r e n - m i n e r 线形累积损伤法则( 简称 v _ i i n e r 法则) 。尽管人们对疲劳累积损 伤理论还在不断进行摸索，并提出了非线性计算方法，但m i n e r 法则由于计算简 单，至今仍被广泛应用。 由于疲劳寿命的离散性，人们开始从确定模型的研究转入概率模型的研究。 1 9 4 7 年美国的a m f r e u d e n t h a l 教授首先建立了用于静强度可靠性设计的应力一 一强度干涉模型。疲劳可靠性设计就是静强度可靠性设计的理论应用于疲劳设计 中，用疲劳寿命n 次循环下的疲劳强度代替静强度。1 9 4 9 年w w e i b u l l 发表了 著名的对疲劳试验数据进行统计分析的方法。1 9 5 9 年j ap o p e 指出疲劳试验的 寿命数据符合对数正态分布。1 9 6 1 年f b s t u l e n 等人在机械设计中考虑了材料 疲劳极限的概率分布。 目前世界经济发达国家在产品设计中已经大量使用计算机模拟技术，其中有 限元技术已经成为一种不可缺少的分析工具，根据有限元获得的应力应变结果 进行进一步的疲劳寿命设计己经在一些重要的工业领域( 汽车、航空航天和机械 制造等) 开始得到应用。在我国，基于有限元的疲劳分析则刚刚开始，其工程应 用尚不多见。与基于试验的传统方法相比，有限元疲劳计算根据构件的使用环境， 应用现代疲劳理论，分析构件在实际使用环境下的疲劳寿命，并结合试验验证， 确保所需的寿命。应用该方法能够在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置， 通过修改设计可以预先避免不合理的寿命分布。因此，它能够减少试验样机的数 北京工业大学工学硕士学位论文 量，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。 1 4 2 各种疲劳寿命计算方法及其特点 传统的疲劳寿命分析方法主要采用疲劳试验、进行无限寿命分析，随着现代 工业的发展，疲劳寿命分析也发展到安全寿命分析。计算技术和大型商用计算软 件的普及，对寿命的数值模拟也成为可能。其基本思想就是用软件模拟出零部件 在实际工况下的应力分布，然后对零部件在服役工况下的寿命进行预测现在人 们对疲劳问题的研究依赖于三种经典的疲劳寿命预测模型：s - n 名义应力法，8 - n 局部应变法、u f m 裂纹扩展寿命法。 1 4 2 1s - n 名义应力法s - n 名义应力法是一种以交变名义应力为主要参量预测 零部件疲劳失效循环周数( 总寿命) 的一种经验方法。这一方法的框架为德国疲 劳工程师a w o h l e r 在1 9 世纪7 0 年代所建立丸w o h l c r 被誉为“疲劳之父” 他首先对铁路列车的车轴进行了系统的疲劳研究，发展了旋转弯曲疲劳试验， s - n 曲线以及疲劳极限概念。s - n 法预测寿命的主要思路为：从试样中测出材料 的s - n 曲线；考虑实际零件与试样的差别，如应力集中，平均应力，表面光洁 度，表面处理以及尺寸效应等，修正s - n 曲线得到零件的s - n 曲线；对于随机 的应力循环谱还要应用诸如雨流法统计出应力信号循环的周期数；然后结合 m i l l e r 等损伤累积法则计算疲劳寿命这一方法对于低应力高周疲劳寿命预测比 较有效。特别是对于一些复杂的零部件或焊接件，直接使用实测的。零部件s - n ” 曲线通常能获得合理的寿命估计。 1 4 2 2e - n 局部应力一应变法g - n 局部应力- 应变法是根据局部应变循环预测疲劳 寿命的一种方法。i v a n 和c o f f i n 对其建立与发展作出了贡献与名义应力法 相比，这一方法有较强的理论基础，比较适用于估计高应力低周次循环疲劳寿命， 它的有效性在工程中得到了广泛的验证在寿命计算中，e - n 法需要从应变控制 的标准光滑小试样疲劳试验中获取材料的“应变幅寿命”曲线和“循环应力应 变”益线，通常需要用n e u b e r 提出的“缺口”修正法，从弹性应力应变估计弹 塑性局部应力应变，需要用诸如雨流法统计应变循环次数，也需要用h 位燃等损 伤累积法则处理变幅载荷谱平均应力，表面光洁度以及表面处理的影响在模型 中也可以加以考虑。 1 4 2 3l e f m 裂纹扩展寿命法l e f m 裂纹扩展寿命法是已经在航空航天、能源、 第1 荤绪论 矿业和海洋工程等许多工业领域得到了广泛应用的“损伤容限设计方法”的基础。 它认为：由于制造或使用环境等原因，结构中可能已经有裂纹或缺陷存在，估计 这些裂纹或缺陷的剩余疲劳寿命是保障结构安全或延长其使用寿命的一个重要 环节。p a r i s 和e r d o g a n 于1 9 6 3 年基于断裂力学的关系，指出了金属材料中裂纹 的疲劳扩展主要由应力强度因子的变化范围所控制，他们提出的应力强度因子幅 和裂纹扩展速率之间的关系是当前工程中预估疲劳裂纹扩展寿命的理论基础。从 那时起，处理变幅加载历史，考虑裂纹闭合、腐蚀及缺口影响等裂纹扩展理论得 到了发展。裂纹扩展寿命计算现在一般只需要从小试样中获取的材料裂纹扩展速 率曲线和裂纹几何的应力强度因子解。目前，大量工程材料的裂纹扩展速率曲线 的获得，以及各种形状裂纹的应力强度因子解的建立，使得这些理论在工程中得 到了广泛的应用。最近发展的基于有限元的疲劳裂纹扩展模拟技术进一步拓宽了 它们在实际复杂工程构件中的应用 2 2 。2 习。 除了上述三种基本的疲劳寿命预测模型，还有许多较为复杂的疲劳理论，其 中有些也已在工程中得到了应用。较为典型的有多轴疲爿拥，热机疲判2 刀，频 域疲劳 2 s l ，焊点焊缝疲劳 2 9 1 ，腐蚀疲劳，复合材料疲劳，接触疲劳等。 1 4 3 用有限元计算疲劳寿命所需数据 疲劳寿命分析一般来说需要两方面的数据，一是材料的疲劳性能参数，二是 应力或应变时问历程。 材料参数可从试验中直接获得，但有些可以从材料手册等出版物，或材科数 据库软件中找到。也有可能根据经验公式，从材料的极限强度和杨氏模量估计其 疲劳性能曲线，但精度一般要差一些。 应力应变历史需要根据载荷和几何结构通过有限元计算获得，如图1 1 所示， 用有限元进行应力应变分析在工程上已得到广泛应用，只要知道载荷工况和边界 条件，就可以在实物样机制造出来之前，了解整个零部件内的应力应变状况。一 种最常用的简化方法是“准静态叠加法”，这一方法适用于激励载荷频率远在所 分析零部件的任何自然( 固有) 频率之下。这意味者任一时刻的应力应变状态可 以通过线性叠加各个不同静态载荷的响应来获得。此时只需要计算单位静态载荷 所引起的弹性应力应变场，然后使用与之对应的实测的或分析的载荷谱，按时间 叠加即可得到关键点的应力、应变变化历程。对于一些有明显动力学响应的工况， 北京工业大学工学硕士学位论文 需要用模态叠加法、强迫振动、随机振动分析或直接瞬态分析等方法删。 图1 1 基于有限元分析结果的疲劳寿命分析流程图 f i g 1 - lf l o w c h a r t o f f a t i g u e l i f e a a a l y m b a s e d o n f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s r e s u l t 应该指出的是，开展材料和结构的寿命预测研究，对于充分发挥材料的潜能、 提高结构的安全可靠性等具有重要的理论意义和实用价值。 1 5 本文的主要研究内容 针对本研究越野车目前存在的问题，本论文希望通过a b a q u s 大型通用有 限元分析软件和m s c 。f a t i g u e 疲劳分析软件对该型越野车车架支座及焊接接头 进行有限元分析，找出其薄弱位置，估算疲劳寿命，进而指导实际生产，具体任 务如下； 1 对有限元的基本理论、基本方法以及有限元软件的特点进行学习和分析。 2 根据北京吉普汽车有限公司提供的图纸，对汽车车架支座及焊接接头的 实际结构进行简化，建立有限元模型。 3 根据越野车设计数据对其进行静强度分析，考虑焊缝强度匹配及焊接 咬边的影响。 4 在有限元分析结果的基础上，对模型的薄弱位置进行疲劳寿命计算，考 虑焊接质量完好和存在焊接缺陷两种情况。 第2 章车架支座有限元分析的理论 2 1 引言 第2 章车架支座有限元分析的理论 有限元法属于力学分析中的数值法，它是把一个连续的介质( 或构件) 看成 是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定的理想化的位移和 应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元之问 的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方 程组，便可得到各单元和节点的位移、应力。即化整为零分析，积零为整研究。 2 2 弹性力学基础 2 2 1 弹性力学的基本概念 2 2 1 1 弹性力学的五个基本假设在进行汽车车架支座分析时，我们要求各零部 件有一定的使用寿命，即在使用中保持特定的形状和功能。因此，通常在正常使 用的条件下，我们要求所有零部件是弹性的为进行有限元分析，我们必须借用 弹性力学的几个假设： ( 1 ) 假设物体是连续的认为在整个物体内部，都被组成该物体的介质所 填充满，没有空隙。这样才能保证物体中的应力、应变、位移等物理量可能是连 续的，才能用坐标的连续函数来表示它们的变化规律 ( 2 ) 假设物体是均匀的即物体内各点都具有相同的物理性质，这样物体 内各个部分具有相同的弹性，并且不会随位置坐标的改变而改变。 ( 3 ) 假设物体是各向同性的。即物体在各个方向上都具有相同的物理性质， 这样弹性常数不会随方向的改变而改变。 ( 4 ) 假设物体是完全弹性的。即在物体产生变形的外力及其它因素( 如温 度的改变等) 去除后，能完全恢复原形，而没有任何剩余变形。也即材料的特性 要服从虎克定律，应变与引起该应变的应力成正比，弹性模量为常量。 ( 5 ) 假设物体的位移和应变是微小的。这样对于二次幂和乘积都可略去不 计可以把微分方程简化为线性，并且可以用叠加原理。满足前四个假设为理想 北京工业大学工学硕士学位论文 弹性体，满足五个条件的成为理想弹性体的线性问题。 2 2 1 2 弹性力学的四个基本物理量要解决结构分析，需要建立有限元分析的数 学模型，由弹性力学知识可知，可用几何方程、物理方程、边界条件来构造方程。 这需要以下四个基本物理量：外力、应力、位移和应变 作用在物体上的外力可分为体积力和表面力即体力和面力 所谓体力是分布在物体体积内的力，例如重力和惯性力它在坐标轴善、y 、 ：上的投影称为该点的体力分量，即 z - - r 。弓，足) ( 2 - 1 ) 所谓面力是分布在物体表面上的力，例如流体压力和接触力它在坐标轴j 、 y 、z 上的投影称为该点的面力分量，叩 一 e = 丘，疋 ( 2 2 ) 弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6 个应力分量如西， 以，码，啦，切来表示，其中以，o y ，o z 为正应力，匆，切，k 为剪应力。应力 分量的矩阵表示称为应力列阵或应力向量，形式如下 盯 = 吒 以 吒 k 乞 = 吒q 吒勺 f ( 2 - 3 ) 并且可以证明在物体内的任一点，当 田为已知时，可以求得经过该点的任 意截面上的正应力和剪应力，即可完全确定该点的应力状态 弹性体在载荷作用下，还将产生位移和变形，鄄弹性体位置的移动窥形状的 改变。弹性体内任一点的位移可由沿直角坐标轴方向的3 个分量“i z , r 来表示。 廿w r ， 称作位移列阵或位移相量。 弹性物体在受应力的作用下，会产生相应的应变，弹性体内任意一点的应变， 第2 章车架支座有限元分析的理论 可由6 个应变分量岛，9 ，岛，协，跏，来表示。其中岛，知，岛为正应变；场， 跏，脑为剪应变。应变的矩阵形式是 仁 = p s z k = k 邑乞岛比 r ( 2 5 ) 称作应变列阵或应变相量。 2 2 2 弹性力学分析法的基本步骤 用弹性力学方法进行结构分析，必须建立以下几组方程：由应力分量构建平 衡微分方程；由位移和应变构建几何方程；物理方程。 对于三维空间问题，弹性力学基本方程可写为如下形式： ( 1 ) 由应力分量构建平衡微分方程 弹性体y 域内任一点沿坐标轴工，y ，z 的平衡方程为 誓+ 鲁扣o 出r = + z = 。 知 却 出 ” 等+ 誓+ o r x y o x + 万= 。a l ，昆 ” 誓+ 誓+ 鲁+ z = 。如苏a l ， “ ( 2 6 ) 其中z ，万，z 为单位体积的体积力在方向的分量 平衡方程的矩阵形式是 【4 + 7 = 0 ( 2 - 7 ) 其中一为微分算子 一i n a o o 昙 o y 0 旦 勿 o0 o 丢 丢o o 旦 出 丢o aa 勿苏 ( 2 8 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 ，是体积向量 _ r = 防万习( 2 - 9 ) ( 2 ) 由位移和应变构建几何方程 在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高次幂，则应变向量和位 移向量间的几何关系有 孤锄抛1 驴磊o u 铲矽铲i 知缸知 ( 2 - 1 。，加知缸知1 2 万+ 夏2 k2 瓦+ 万。岛2 石+ 面2 kj 几何方程的矩阵形式是 斜= 扛 ( 2 - 1 1 ) 其中l 为微分算子 f q _ - o o a 一 出 o a 一 咖 a 一 知 ( 2 - 1 2 ) ( 3 ) 物理方程：应力应变关系 在小交形下，可假设应力与应变成线形关系。在材料力学中已用应力分量来 表示应变分量的物理方程： = o r l 一”( q + 吒) 产 5 2 f “( 吒+ 吒) 户( 2 - 1 3 ) 乞= 以一“( + 巳) 户 7 9 = t # | g ，y n = t c ，7 。= t 。| g 材料的切变模量g 与弹性模量占以及泊松比”之间的关系如下： o a一砂o a一知a一岔 o a一缸o o a一勿o a f 8 第2 章车架支座有限元分析的理论 g = 二二_ 一 ( 2 1 4 ) 2 ( 1 + 1 把式( 2 1 3 ) 中g 用刀和甜表示，则可锝到应变分量表示应力分量的物理 方程，其矩阵形式如下： = 【d 怍 ( 2 - 1 5 ) 其中d 称为弹性矩阵，它的表达形式如下： - 1 = 而e 而o - u ) 1 旦旦ooo 1 一“1 一 j l ，1j | - 0 00 l 一”1 一 lj l 1000 l 一1 一扯 o o0 生 oo 2 【1 一鼙) 00oo 丝o o0o0o 上塑 2 ( 1 - u ) ( 2 1 6 ) 由上式可以看出，弹性矩阵d 完全取决于弹性体材料的弹性模量e 和泊松比“。 2 3 有限元法分析过程 自本世纪5 0 年代以来，由于电子计算机技术的迅猛发展，有限元法在航空、 水利、船舶、土木建筑、机械及车辆工程等领域的工程计算过程中得到广泛的应 用。它是将弹性理论，计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析 技术。由于这一方法的灵活，快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数 理方程的一种通用的近似计算方法。 有限元法运用离散的的概念，把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接 的子域( 单元) 所构成，其模型给出基本方程的分片 o - ， 件d 式中口、分别为材料的真实应力和真实应变，西、8 p 分别为材料的屈服应力和屈 服应交，口为幂硬化系数，n 为幂硬化指数。对于符合幂硬化规律的材料，刀值 的高低表示了材料在发生颈缩前依靠硬化使材料均匀变形能力的大小，在本文 中，材料的硬化指数甩由经验公式估算p 7 】 刀= l 七l n ( 1 390 a ，) ( 4 - 2 ) 式中k 为常数，根据本文所用的材料性能，k 取为o 1 2 。 焊缝强度匹配，通常用焊缝金属屈服强度与母材金属屈服强度的比值m 表 采弛一，即： m=a pf o ：m ( 4 - 3 ) 式中m 为强度匹配因子，o 罗，a 尹分别为焊缝金属与母材金属的屈服强度。 目前在制造焊接结构时，对焊材的选择有如下三种原则：焊缝低匹配( 膨 1 ) 。本文考虑了 壬司8 ，l ，1 2 三种情 况根据公式( 4 - 2 ) 和( 4 - 3 ) 计算出三种匹配类型的焊接接头材料性能数据如 表4 3 所示 表4 0 不同强度匹配的材料性能 t a b 4 - - 3m a t e r i a lp r o p e r t yo f d i f f e r e n tm a t c h i n g o 83 5 0 6 0 42 8 05 2 0 1 o 3 5 0 6 0 4 3 5 0 6 0 4 i 23 5 06 0 44 2 06 9 6 4 4 结果与讨论 4 4 1 汽车车架支座应力应变分析 对上述有限元模型按焊缝强度等匹配进行计算，当载荷为80 0 0 n 时，车架 支座的m i s e s 应力分布如图4 - 3 a 所示。 第4 章汽车车架支座及焊接接头的强度分析 计算得到的最大应力为2 7 7 6 3 m p a ，发生在纵梁与车身支架连接的上部焊接 接头，而且由图4 - 3 b 可知此处承受拉应力，这是由于车身支架保持座上表面受 压力作用。所以上部焊接接头应该是受拉应力主要部位，因此纵梁与车身支架连 接的上部焊缝处应力较大，而且为拉应力同时车身支架前端、左右两侧焊缝下 端、车身支架肋部应力也较大，各部位应力最大值分别为2 5 3 2 1 m p a 、2 4 0 2 7 m p a 、 2 5 8 9 4 m i a ，原因是车身支架保持座上表面承受压力作用，车身支架下端与纵梁 之问必然存在压应力，而且由于车身支架前端悬空，其与纵梁接触一侧通过焊缝 固定，故车身支架肋部起主要支撑作用，所以车身支架前端和车身支架肋部应力 也较大。在80 0 0n 载荷作用下，焊缝强度低匹配与焊缝强度高匹配的应力分布 和焊缝强度等匹配的计算结果相似。三种匹配情况下，整个部件的等效塑性应变 都为零，表明此时整个部件处于弹性阶段，说明受静载荷作用时，此车型汽车车 身第三支架能够保证安全服役。 丑) m i s e s 应力 曲m i 嘲5 晒0 3 i 北京工业大学工学硕士学位论文 ”应力分量s ”s u m sc o m p o n e n ts n 图4 - 3 车架支座应力分布( 80 0 0 n ) f i g 4 - 3s u c s s d i s t n l d u t i o n f o r b r a c k e t o f c a r 缸( 8 0 0 0 n ) 继续增大作用在车身支架保持座上表面的载荷，当载荷增大到1 20 0 0 n 时， 经有限元分析发现承受最大拉应力的上部焊接接头局部发生了塑性应变，此时 m i s e s 应力分布如图4 4 所示，表明为保证汽车安全服役，汽车车身第三支架上 表面承受载荷不能超过1 20 0 0 n 图4 4 车架支座应力分布( 1 20 0 0 n ) f i g 4 - 4s t r e s sd i s m o u f i o nf o rb r a c k e to f c a r 缸m e ( 1 20 0 0 n ) 第4 章汽车车架支座及焊接接头的强度分祈 i 4 4 2 汽车车架支座上部焊接接头分析 如前所述，当在车身支架保持座上表面施加80 0 0 n 载荷时，这个焊接结构 处于弹性变形阶段且车身支架与纵梁连接的上部焊接接头处应力最大然而在汽 车实际行驶中，由于路面不平等因素，作用在车身支架保持座上表面载荷可能瞬 时过大导致此结构应力较大部位发生局部塑性变形。下面分别计算了车身支架与 纵梁连接的上部焊接接头成型完好和存在咬边的情况下，发生塑性变形时焊缝强 度对此处应变分布的影响，取载荷3 00 0 0 n ，垂直上部焊接接头长度方向中间截 面的计算结果如图4 - 5 至4 7 所示。 a 1 成型完好 a 1g o o d f o r m i n g b ) 咬边 b ) u n d e r c u t 图4 _ 5 上部焊接接头等效塑性应变分布( m 暑o 8 ) f i g 4 - 5d i s t r i b u t i o no f e q u i v a l e n tp l a s t i c8 t l a i n f o ru p p e rw e l d e d j o i n t 似= o 8 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 a ) 成型完好 1 1g o o df o r m i n g ”咬边 b 1u n d e r c u t 图4 - 6 上部焊接接头等效塑性应变分布( m = 1 ) f i b 4 - 6 d b n i b u t i o a o f i u i v a l e a t p l 笛6 c 蚰i n f o r u p p 口w e l d e d j o i n t m i 昌1 ) 第4 章汽车车架支座及焊接接头的强度分析 a ) 成型完好 a ) g o o df o r m i n g 协咬边 u a d e m t 图4 7 上部焊接接头等效塑性应变分布( m = 1 2 ) f i g ，4 - 7 d i s t r i b u t i o n o f e q u i v a l e n t p l a s d os t r a i n f o r u p p e r w e l d e d j o i n t o v = l 计算结果表明，三种焊缝强度匹配情况下，焊接质量完好的焊接接头应力集 中处已形成较大塑性应变区；存在咬边的情况下，在咬边尖端形成了很大的塑性 应变区。其余部位塑性应变区相对缩小，原因是在咬边尖端存在应力集中。为了 衡量各种情况下塑性应变范围的大小，本文引入相对屈服深度d 的概念，即焊缝 沿y 方向屈服深度( ) 与沿y 方向高度( 日) 的比值，存在咬边情况下，焊缝 沿y 方向高度即为除去缺口后焊缝沿r 方向的剩余高度，如图4 8 所示 - 3 5 北京工业大学工学硕士学位