基于試驗的扭力梁懸架疲勞分析有限元模型的確定＊

黃妙華 羅歡 伊斯武

（1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2.國家汽車質量監督檢驗中心）

基于試驗的扭力梁懸架疲勞分析有限元模型的確定＊

黃妙華1羅歡1伊斯武2

（1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2.國家汽車質量監督檢驗中心）

為快速獲得準確的扭力梁懸架有限元模型而提出基于試驗的模型修正法，即在扭力梁懸架扭轉剛度測試試驗基礎上，通過調整懸架減振器處的質點質量及模擬彈簧的梁密度，以修正扭力梁懸架有限元模型。將修正前、后扭力梁懸架有限元模型計算的剛度特性與通過試驗獲取的剛度特性進行對比表明，該方法能有效提高模型計算速度和精度。

1 前言

在行駛過程中，汽車整車及零部件會受到各種動載荷作用，動載荷會使整車及零部件內部產生較大的隨時間變化的應力，從而導致零部件的疲勞損傷和破壞，扭力梁后懸架開裂就屬此類問題，所以在整車及零部件研發過程中，對其進行疲勞壽命的估算和試驗檢測就十分必要。在開發初期對零部件的疲勞壽命進行預測的方法主要有試驗方法和理論分析方法。試驗方法一般采用對汽車零部件進行大量的臺架試驗和整車耐久性試驗，試驗費用高，周期長，且問題大多出現在產品設計完成之后，對設計更改帶來一定的難度。理論分析方法是通過長期經驗積累，從理論的角度分析零部件所受到的載荷循環歷程、零部件結構特點和材料特性，并對其進行估算，該方法需以豐富的經驗累計為前提，且多運用于小型零部件，而大型零部件因影響因素眾多，很難準確預測其疲勞壽命。將試驗方法和理論分析方法有效結合，實現試驗加有限元分析的一體化疲勞壽命分析，是本研究開展的目的。本文在試驗的基礎上，采用改變扭力梁后懸架結構的方法，對快速建立準確的扭力梁后懸架疲勞分析有限元模型進行研究。

2 有限元模型的初步確定

為獲得準確的扭力梁懸架疲勞分析結果，首先需要建立準確的扭力梁懸架有限元模型。由于扭力梁主要由板殼結構組成，其有限元模型主要采用4節點殼單元。為了保證有限元模型的精度，對高應力區或響應輸出區單元的質量有比較嚴格的要求，故其單元格應較其它位置更精細且盡量減少三角形單元的使用；對于焊接部位采取共節點的方法；由于橫臂上的直徑較小的安裝孔對結構應力分布的影響較小，故其可忽略不計。在Hypermesh中完成對扭力梁懸架三維模型的網格劃分后，將有限元模型導入MSC.Patran中，并建立后懸架中其它結構的有限元模型。

與車橋相連接的減振器及彈簧由于受載荷后的運動軌跡并非直線，故不適合采取彈簧單元和阻尼器單元，又由于梁單元具有6個自由度，所以彈簧采用2節點的梁單元進行模擬。通過臺架拉伸測試試驗測得彈簧的彈簧特性接近線性，故采用線性特性對其進行模擬。在分析中設置模擬彈簧的梁的材料彈性模量具有的剛度與試驗測得的一致。分析中對減振器采用具有6個方向剛度和6個方向阻尼的減振塊單元進行模擬。減振器軸線方向的剛度和阻尼通過臺架拉伸測試試驗測得，其它方向的剛度和阻尼根據經驗獲取。有限元模型中鈑金件材料參數中的彈性模量E=2.1×105N/mm2，密度ρ=7.8×103kg/m3，泊松比V=0.3。后懸架有限元模型如圖1所示，其包括25 909個節點，25 877個單元。

為保證懸架模型與車身鉸接處沒有運動干涉，先用剛性桿單元連接鉸接處襯套座中心孔周圍的單元，并約束其只能繞孔的軸線旋轉，再用較短的橫向剛性桿（模擬銷軸）連接剛性桿單元的主動節點和后懸架支架銷軸孔的中心節點，并約束銷軸孔中心節點除俯仰自由度外的其它自由度，以達到既避免運動干涉又保證后橋的自由度與實際吻合的目的。本文采用兩種方法驗證該約束方法的正確性。第1種方法是去除減振器、彈簧對扭力梁的約束，使扭力梁僅受鉸接處的約束和重力的作用，計算扭力梁輪心處的垂直位移。計算結果為輪心處垂直位移變化很大。第2種方法是對包括扭力梁、彈簧、減振器的扭力梁懸架機構在扭力梁輪心處施加垂直方向不對稱載荷，并互換左、右輪心處的載荷，分別計算兩種工況下左、右輪心處的位移。計算結果為當互換左、右輪心載荷時左、右輪心位移也相應調換。由此驗證懸架的有限元模型沒有運動干涉。

3 扭轉剛度試驗

為獲得扭力梁的實際扭轉剛度特性，對扭力梁進行扭轉剛度試驗。試驗過程為在扭力梁輪心處緩慢施加垂向載荷，并測量加載處垂直位移。左、右兩側輪心處施加的載荷歷程如圖2所示，試驗中每隔6s獲取1個試驗值，共獲得100個試驗值。施加載荷處的垂直方向位移響應如圖3所示。

4 有限元模型的修正算法

由于在建立后懸架有限元模型過程中忽略小直徑的安裝孔和小型連接件，簡化焊縫、彈簧及減振器，導致懸架的有限元分析模型與實際結構之間存在誤差。為了減少誤差，在后懸架左、右兩側減振器處對稱加入質點的質量和兩側模擬彈簧的梁密度，使懸架的扭轉剛度與實際扭轉剛度吻合以保證有限元模型的準確性。

誤差分析采用雙變量法，即模擬彈簧的梁密度和減振器處的質點質量兩個變量，當梁密度為k、質點質量為j時，后懸架左、右側加載點的垂直方向位移分析值和試驗值的誤差Dkjl、Dkjr分別為：

式中，Zkjli表示質點質量為j時，后懸架左側加載點第i個時刻的垂向位移分析值；Ztli表示后懸架左側第i個時刻的獲得的垂向位移試驗值；Zkjri表示質點質量為j時，后懸架右側加載點第i個時刻的垂向位移分析值；Ztri表示后懸架右側第i個時刻垂向位移試驗值。

模擬彈簧的梁的密度范圍是1×104～12×104kg/m3，減振器處質點質量范圍為0～20 kg時，左、右兩側施加載荷處位移分析值與試驗值誤差如圖4所示。

由圖4可知，分析值與試驗值的誤差對于梁密度更敏感。采取單一變量法，固定梁密度為5×104kg/m3，調整質點質量得到有限元分析結果與試驗結果中加載處的垂直位移響應對比圖如圖5所示。

綜合考慮較小的誤差值及左、右誤差接近，取減振器處質點為6 kg。調整模擬彈簧的梁的密度范圍為1×104～12×104kg/m3時比較懸架兩側加載處位移與試驗值，對比結果如圖6所示。

由圖6可知，不同梁密度對應的誤差結果差距很小，即懸架的扭轉剛度對于模擬彈簧的梁密度不敏感。當減振器處節點質量為6 kg、模擬彈簧梁的密度為5×104kg/m3時，左、右兩側加載點位移響應的分析值和試驗值的誤差分別為4.5%、6.4%，此情況下計算分析結果和測試值如圖7所示。由圖7可知其波形一致，且誤差都在10%以內。綜合分析圖5～圖7可知，通過改變模擬彈簧的梁密度和減振器處質點質量兩變量值來調整有限元模型的方法，能夠提高模型的精度，并獲得使有限元分析值與試驗值一致的結果。因此，所提出的基于扭轉剛度特性試驗修正扭力梁懸架疲勞分析有限元模型的方法是可行和有效的。

5 結束語

研究確定扭力梁后懸架疲勞壽命分析有限元模型的方法，通過調節模擬彈簧的梁密度和減振器處質點質量以提高模型精度。分析結果表明，該方法使計算結果與試驗值間的差距明顯減小。本文采用的方法允許對有限元模型進行適當簡化，減少了建模難度，提高了建模速度并且保證了建模精度。

1吳光強，李云超，盛云.基于虛擬試驗場的后懸架疲勞試驗分析.同濟大學自然學報,2009,30（37）：1379～1382.

2涂啟養,董大偉,閻兵.某液壓模塊式組合掛車強度及其疲勞分析.汽車科技,2011,3：53～56.

3張林波,柳楊,黃鵬程.有限元疲勞分析法在汽車工程中的應用.計算機輔助工程,2006,15（9）：195～198.

4沈磊，張守元，郁強.輪心六分力作用下懸架疲勞載荷譜提取.試驗測試,2012,1:48～50.

5馬愛軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析專業教程.北京：清華大學出版社，2005.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年9月10日。

Determination of Fatigue Durability FE Model Based on Torsion Beam Suspension Test

Huang Miaohua1,Luo Huan1,Yi Siwu2
（1.Hubei Provincial Key Laboratory of Modern Automotive Technology,Wuhan University of Technology;2.National Automobile Quality Supervision Test Center）

To acquire accurate finite element model of torsion beam suspension,a correction method is put forward, which is based on stiffness test of torsion beam suspension，and which modifies the FE model of the torsion beam suspension by adjusting the particle mass at the shock absorbers and the density of the beam which is used to simulate spring.The stiffness characteristic calculated with FE model before and after modification is compared with that obtained by test,which shows that the proposed method can improve the speed and precision of model calculation effectively.

Torsion beam suspension,FEA model,Stiffness test

扭力梁懸架有限元模型剛度試驗

U463.33

：A

：1000-3703（2014）03-0021-03

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2012-ZY-059）。