汽車減振器支架焊縫疲勞壽命優化設計*

朱劍峰，張君媛

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206)

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汽車減振器支架焊縫疲勞壽命優化設計*

朱劍峰1,2，張君媛1

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022； 2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201206)

為解決某型汽車減振器支架在道路試驗中發生開裂的問題，通過整車多體動力學分析進行懸架多工況載荷提取，并結合焊縫S/N疲勞曲線進行減振器支架壽命分析。在對優化前后的減振器支架進行分析的基礎上，根據焊縫疲勞和強度對其進行結構改進設計和實車路試驗證。結果表明，優化后的減振器支架在后續路試中未發生失效開裂，說明基于懸架多工況下的結構焊縫疲勞和強度分析具有很好的可靠性和適用性。

減振器支架；焊縫；疲勞壽命

前言

汽車路試最常見的結構失效往往出現在焊縫連接部位，如何定量地進行結構疲勞可靠性驗證是目前國內整車廠面臨的一個問題，因此開發準確的焊縫疲勞曲線便變得十分迫切。此外，整車多體動力學下的多工況載荷分析越來越得到各大汽車廠商的重視，它可為汽車懸架結構疲勞和強度分析驗證提供可靠的載荷輸入，最大限度降低汽車結構件開發設計風險。

文獻[1]中采用多體動力學方法提取了汽車下擺臂載荷值，獲得了其結構在不同工況下的應力分布，給出了下擺臂疲勞壽命一體化分析方法，并實現了結構的優化設計，提高了疲勞壽命。文獻[2]中采用一個有效的焊縫分析方法，對某商用車焊接結構進行疲勞壽命分析，取得了預期的效果。文獻[3]中建立了轎車后懸架多體動力學剛柔耦合模型，對后懸架系統關鍵結構的受力狀況進行了全面分析，通過對道路試驗數據和動態仿真數據的對比驗證了該方法的可靠性。

本文中開發了焊縫疲勞曲線，同時通過建立整車多體動力學模型提取懸架硬點處載荷，并建立減振器支架有限元模型進行疲勞分析和強度校核以再現路試失效模式，對改進后的減振器支架進行實車路試驗證，驗證多工況下的結構焊縫疲勞和強度分析在底盤結構設計中的適應性和可靠性。

1 焊縫疲勞曲線測試

汽車焊接結構件通常是薄板件，常見的失效往往出現在焊接熱影響區域，該區域的失效為焊縫疲勞失效。進行汽車焊縫疲勞性能分析的關鍵要素是獲取準確的焊縫疲勞性能參數，目前汽車行業中常用的焊縫疲勞分析方法主要有等效結構應力(S-N)法[4]和熱影響區(HAZ)法兩種，等效結構應力法依據有限元分析結果提取焊縫節點力并轉換為等效結構應力進行壽命評估，具有無網格依賴性和計算結果穩定等優點，故本文中將采用等效結構應力法設定焊縫疲勞性能參數。

由于本文中失效結構件主要承受垂向載荷，因此焊縫疲勞測試主要為拉壓疲勞試驗，國內外尚無統一的焊縫疲勞測試標準，根據相關工程經驗設計的測試樣件如圖1所示。

圖1 垂直焊縫測試樣件

為測試焊縫樣件疲勞壽命參數，搭建相應的焊縫疲勞性能臺架試驗，如圖2所示，其中應包括剛性立柱、位移傳感器和MTS液壓作動缸。位移傳感器用以監測焊縫是否失效，每組單個焊縫測試樣件的臺架試驗載荷大小分別為±4.5，±5.5和±6kN。考慮到實際焊接工藝的影響，每組載荷各測試20件樣件，以監測到肉眼可見焊縫裂紋時的試驗加載次數作為焊縫疲勞壽命值。

圖2 焊縫樣件疲勞性能臺架試驗

結構疲勞壽命理論基礎是建立在統計學上的一門學科，在實際工程應用中單純追求疲勞壽命的絕對值不太現實，疲勞壽命往往是一個統計值，具有一定的可靠性。根據圖1和圖2進行大量的焊縫樣件試驗并反復進行試驗數據和有限元仿真數據對標后，焊接測試樣件厚度范圍為2～6mm之間各種板材，該厚度范圍基本包含了汽車底盤大部分結構件[5]，擬合出最終具有一定可靠性的焊縫疲勞性能曲線，為后續失效問題的解決提供準確的材料參數，典型的焊縫疲勞分析流程[6]如圖3所示。

圖3 焊縫疲勞分析流程圖

2 懸架載荷預測

后懸架系統包括彈簧、減振器、扭桿梁后橋和襯套等，其數學模型如圖4所示。

圖4 后懸架結構示意圖

對底盤零件進行耐久性和強度評估的重要輸入是各連接點載荷，為準確獲取懸架硬點載荷，根據圖4的后懸架數學模型和整車相關參數搭建后懸架多體動力學模型，如圖5所示，由于該車型后懸架為半獨立扭桿梁懸架，這里扭桿梁采用超單元進行等效處理。

圖5 后懸架多體動力學模型

依據美國GM公司對懸架工況的定義，前后懸架工況單獨計算，其后懸工況如表1所示，后減振器和后橋連接處載荷輸出如圖6所示。

表1 后懸工況

圖6 減振器支架載荷(整車坐標系下Z向)

懸架工況分為耐久工況和強度工況，從圖6中的載荷值曲線可以看出，耐久工況最大值出現在工況4，載荷大小為83 274N，強度工況最大值出現在工況7，載荷大小為17 748N。

3 減振器支架路試失效

3.1 失效模式

在廣德試車場進行發展中國家道路試驗規范路試中，發現后懸減振器支架焊縫開裂并最終導致支架外套管斷裂，如圖7所示。焊縫熱影響區域的裂紋沿焊縫邊緣進行擴展直至斷裂，因此可以確定該失效為焊縫疲勞失效。此外，失效件存在一定的塑性變形，可初步判斷該支架結構強度性能有一定的潛在風險，后續分析將對其作進一步驗證說明。

圖7 減振器支架失效模式

3.2 失效原因初步分析

汽車路試中道路載荷復雜多變，減振器部件在汽車路試中失效比較常見，且以結構疲勞耐久失效為主[7-8]。后懸減振器類似于二力桿，主要承受拉壓載荷，從圖6中可以看出，減振器支架呈現以受壓為主的狀態。支架剛度不足將引起其結構變形，導致焊接部位應力集中，使焊縫疲勞壽命下降。支架剛度主要取決于結構特征，這里主要為支架厚度。此外，在受到極限外載荷的情況下，支架的結構強度將會對焊縫可靠性產生影響，強度不足的情況下結構將產生永久變形從而導致焊縫處平均應力上升，疲勞壽命下降。

4 優化方案選擇

4.1 焊縫疲勞耐久分析

進行焊縫疲勞分析首先要建立減振器支架有限元模型，焊縫采用殼單元模擬，套管用實體六面體網格進行劃分，支架內部襯套采用RB3進行簡化處理，減振器頂端固定，完整的焊縫疲勞分析有限元模型如圖8所示。

圖8 焊縫疲勞分析有限元模型

考慮到結構改進成本和可行性要求，要求優化方案盡可能對后懸結構整體影響最小，這里采取優化支架厚度和材料對焊縫疲勞壽命改進程度進行分析，相應的方案組合如表2所示。

表2 方案組合

根據圖6中載荷曲線提取減振器承載力并結合表2中的方案組合進行焊縫疲勞壽命分析，結果如表3所示(僅列出危險工況)。表中數值(life值)表示預測的壽命與設計要求的比值。

表3 焊縫疲勞壽命(life值)

由表3可見，焊縫疲勞壽命與支架厚度相關，與支架所選用材料牌號無關。支架采用厚度3.0mm情況下，工況3～工況5焊縫疲勞壽命小于1，不能滿足疲勞要求。支架厚度4.5mm情況下焊縫疲勞壽命最低為3.47個life值，滿足設計要求(考慮到實際中的焊縫疲勞壽命的離散性，工程中對于疲勞壽命失效問題改進通常要求優化后的壽命相對于原設計提高至少10倍以上，本文中改進后焊縫最低壽命3.47相對于原設計最低壽命值0.22提高了約15倍且大于1，因此可以判斷4.5mm的改進方案是有效的)，原設計方案焊縫疲勞壽命云圖如圖9所示。

圖9 左輪跳工況下焊縫疲勞壽命云圖

從圖9中可以看出，原設計方案失效位置和路試失效位置一致，最低壽命為0.22個life值，基本與路試里程百分比相當，驗證了該方法的有效性。

4.2 結構非線性強度分析

懸架結構件強度性能是指汽車在受到極限外載荷的情況下仍然保持懸架結構系統性能穩定性的能力，對于減振器支架就是其結構本身的抗變形能力。結構非線性強度分析模型采用圖8的有限元模型，并考慮材料非線性和幾何非線性因素。采用極限載荷工況7，載荷大小為15 921N且施加在襯套彈性中心點，如圖10所示，根據表2中的方案進行強度分析后的結果如圖11所示。

圖10 減振器彈性中心點

圖11 強度工況下加載器支架應力分布云圖及變形

由圖11可見，原設計方案存在較大的永久變形量，導致焊縫疲勞壽命大幅下降，支架厚度為4.5mm的情況下結構應力相對于3mm厚度有大幅降低。各方案組合在極限載荷下的結構變形量如圖12所示。

圖12 支架變形曲線(工況15→工況7)

由圖12可見，采用15#鋼3.0mm厚度支架的情況下，支架無法承受最大壓力15 291N(只加載到最大載荷的95%便失穩)，變形過大導致直接失效；采用20#鋼3.0mm厚度支架的情況下，極限工況下變形量減少至1mm，但應力值沒有明顯改善(從圖11中可以看出，失效處最大應力值從555減少至526MPa)；厚度為4.5mm的支架(15#鋼、20#鋼)均能滿足強度和疲勞要求，因此改進方案可以采用該厚度支架來提高焊縫疲勞壽命并改善其結構強度性能，后續路試中支架未發生失效開裂，驗證了改進方案的有效性。

5 結論

(1) 通過焊縫測試樣件建立了焊縫疲勞分析曲線，為疲勞分析提供了定量指標，確保了后續改進方案的可靠性。

(2) 建立了后懸架多體動力學模型，給焊縫疲勞分析和結構強度驗證提供了可靠的載荷輸入，保證了分析結果的有效性。

(3) 采用這種基于實測焊縫疲勞曲線和懸架載荷預測結合的方法，將有助于懸架結構件的準確驗證，為懸架結構件的失效改進和新車型懸架開發驗證提供了一個全新的設計思路。

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Optimal Design of Fatigue Life for the Welds in Vehicle Shock Absorber Bracket

Zhu Jianfeng1,2& Zhang Junyuan1

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd.,Shanghai201206

To solve the cracking problem of the shock absorber bracket of a vehicle happened in road test, its loads in several conditions are extracted by vehicle multi-body dynamics analysis and a service life analysis of shock absorber bracket is conducted based on the S/N fatigue curve of welds. On the basis of analyses on shock absorber bracket before and after optimization, a modification design of its structure is carried out, which is then verified by real vehicle road test. The results show that the shock absorber bracket optimized does not crack in subsequent road test, demonstrating good reliability and applicability of multi-condition fatigue and strength analyses on the welds of suspension.

shock absorber; welds; fatigue life

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.012

*國家自然科學基金(51375203)資助。

朱劍峰，博士，E-mail:zhujianfeng@jlu.edu.cn。

原稿收到日期為2016年6月20日，修改稿收到日期為2016年8月12日。