汽车悬架横臂疲劳寿命预测及可靠性强化系数研究

汽车悬架横臂疲劳寿命预测及可靠性强化系数研究

双横臂悬臂悬臂是一种常见的悬臂式悬臂，是一个重要的支撑单元。在不平整的道路上行驶时，振动和打击会产生各种动态载荷。这是典型的周期疲劳负荷。一般来说，横臂的负荷消耗需要很长时间。为了缩短负荷试验的周期，通常在不同的强化道路上进行疲劳试验。为了实现车辆的共同负荷，增加系数是指车辆的特定部件在实际使用条件下和在可靠性增强试验条件下的相同负荷，以及道路里程的比率。传统的疲劳分析技术依赖于准确的试验数据,分析周期长,费用高.现代疲劳分析技术利用虚拟仿真分析技术,预测零部件的疲劳寿命,大大降低了开发成本,缩短了周期.基于整车刚柔耦合模型,将有限元分析方法、多体动力学以及疲劳分析技术相结合,利用虚拟疲劳耐久性仿真分析方法,预测了某轿车的前悬架上横臂在B级路面以及汽车试验场某种典型强化路面—搓板路上的疲劳寿命,进而确定了该强化路面的可靠性强化系数.1启动车辆连接模型1.1悬架系统的动力学建模通过各零部件的三维Pro/E模型获得各零部件的几何参数、质量、质心位置、转动惯量等参数信息.前后悬架均采用螺旋弹簧和筒式减振器,减振器的压缩和复原阻尼系数相等.弹簧的刚度特性参数和减振器的速度—阻尼力特性参数由设计人员提供.获得整车各零部件的几何、性能相关参数后,即可利用ADAMS的Car模块建立某轿车的整车多刚体动力学模型.最终的整车模型主要包括以下几部分:前后悬架系统、转向系统、车身、动力总成、制动系统以及轮胎等.其中前后悬架的结构形式分别为双横臂式和多连杆式.1.2整车模型的求解经过系统模型校核,整车模型共有133个自由度.由于车辆系统是一个非常复杂的多体系统,大位移时具有强非线性,在求解整车系统动力学微分方程时仍然会因参数设置不当而导致发散.在整车仿真时,首先进行装配以确定初始构型,然后进行静平衡状态校验,在进行过多次仿真试验和参数调整后,最后实现车辆在路面上的稳定行驶.1.3前悬臂的柔性体建立利用ADAMS的Durability模块可以获得柔性体的动应力.为了求得整车虚拟样机模型在两种路面上行驶时悬架横臂的动应力,需要在有限元分析软件中对横臂进行柔性化处理.将前悬上横臂的三维实体模型导入MSC.Patran中进行前处理,建立好的上横臂有限元模型如图1所示,将其提交MSC.Nastran进行模态求解,并生成模态中性文件(.mnf),导入ADAMS/Car中,即可得到前悬上横臂的柔性体。ADAMS/Car会创建必要的几何实体用以显示柔性体.1.4整车刚柔耦合模型与整车多刚体模型相比,刚柔耦合多体动力学模型只是将原多刚体模型中的上横臂刚性体以柔性体来取代,并在模型中与其它刚性体间建立约束,其余零件、受力、连接方式等均未改变.所以只需在软件中做出相应的调整即可得到整车刚柔耦合模型,如图2所示.2在两种情况下，车辆系统的模拟分析2.1基于波叠加法的b级路面模型由于路面输入模型能否准确的反映实际研究的路面对悬架横臂动应力有很大影响,所以建立合理的路面时域模型非常重要.选用轿车常用路况—B级路面以及某种典型的汽车试验场可靠性试验坏路—搓板路作为仿真路况.1)B级路面采用谐波叠加法来构建B级路面的时域模型.谐波叠加法是目前使用较普遍的方法,特别适合用于国标道路谱时域模型的生成.谐波叠加法拟合不平路面的原理是:设路面高程为遍历的零均值Gaussian过程,将路面不平度表示为大量的具有随机相位的简谐函数之和,可以表示为式中:αk在(0,2π)区间内服从均匀分布,αk相互独立.根据上面的数学模型,用MATLAB软件进行编程,即可得到B级路面的时域数据,如图3所示.分别对信号进行了正态分布检验和功率谱密度检验,结果表明,采用此种方法生成的随机路面数据能够模拟真实路面,为整车仿真提供了可靠输入.2)搓板路面汽车产品开发、定型以及产品投放市场后不断地改进等,都需要在汽车试验场进行性能试验和可靠性试验.可靠性试验坏路是为汽车可靠性强化试验构筑的试验路.文中采用海南汽车试验场的乙种搓板路作为仿真路况.乙种搓板路的路面纵剖面图如图4所示,它是一个近似的简谐路面.2.2动应力时间历程利用ADAMS的Car模块分别在两种路况下对整车刚柔耦合模型进行仿真计算.整车模型在B级路和搓板路上的行驶车速分别设为60km/h和20km/h,仿真时间为10s,仿真步数为1000步.仿真完成后,即可利用ADAMS下的Durability模块获得上横臂有限元模型在任意节点处的动应力,并输出MSC.Fatigue软件计算柔性体疲劳寿命所需要的应力时间历程信息(.dac文件).3预测横臂疲劳时间的预测和强化系数的求解3.1横向弹性模量在MSC.Fatigue软件中,可以通过输入材料的基本参数和特性指标得出S-N曲线.已知横臂材料为45钢,其强度极限σb为600MPa,弹性模量E为210GPa,由Fatigue的材料数据库管理器得到悬架横臂材料的S-N曲线,如图5所示.3.2悬架横臂疲劳特性恒幅载荷作用下的疲劳寿命估算,可以直接利用S-N曲线.变幅载荷作用下的疲劳寿命预测需要借助于Miner线性疲劳损伤理论.整车模型在两种路面上行驶时,悬架横臂所受到的载荷均为随机载荷.如果能够将随机载荷谱转化为变幅或恒幅载荷谱,则可利用上述方法分析疲劳问题.将随机载荷转化为一系列循环的方法有很多,文中采用雨流计数法对悬架横臂所受的动载荷进行统计分析,将其转化为一系列的全循环或半循环,从而得到相应的载荷均值、幅值和载荷循环次数.3.3非零平均应力的等效转换在基于疲劳寿命建立强化系数数学模型时,要采用Miner线性疲劳累积损伤理论估计汽车零部件的疲劳寿命.而Miner理论是基于载荷零均值假设的,它要求在每个载荷块内,载荷必须满足对称循环,即平均载荷为零.由于静载荷的作用,由雨流计数法得到的悬架横臂所受到的动载荷的平均值并不为零.因此,必须按等损伤的原则将非零平均应力的应力循环等效转换为零平均应力的应力循环.非零平均应力的等效转换,可以根据Goodman疲劳经验公式进行计算,即式中:σa为应力幅;σ-1为对应于对称循环载荷作用下的疲劳极限;σm为平均应力;σb为拉伸强度极限.3.4悬架上横臂的疲劳寿命在Fatigue软件中,设置疲劳寿命求解方式为S-N法(名义应力法),采用Goodman平均应力修正方法,应力参数选择VonMises应力,存活率设为96%,设置好材料参数,即可求得悬架上横臂在两种路况下的疲劳寿命,其中,搓板路面上的疲劳寿命云图如图6所示.3.5在汽车试验中，加强路面和加固系数的求解变得重要求出悬架横臂在B