虛擬臺架在汽車底盤零部件優化設計中的應用

于宏濱，田翠翠

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虛擬臺架在汽車底盤零部件優化設計中的應用

于宏濱1，田翠翠2

（1.華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141；2.華晨中華汽車公司，遼寧 沈陽 110044）

以某車型板簧減震器支架疲勞試驗為例，利用Solidworks軟件建立疲勞臺架試驗輔助設計平臺進行虛擬試驗臺架設計，并完成臺架試驗，通過對零部件失效部位進行分析，確定失效模式，通過臺架試驗和虛擬臺架仿真反復相互校核的對比方式，得到零部件最終的優化設計方案。文章通過上述實例來探討虛擬臺架仿真在汽車底盤零部件疲勞試驗和優化設計中的重要作用，從而形成一個閉環的汽車底盤零部件的開發流程，有助于提高汽車底盤零部件開發的效率。

汽車底盤；失效分析；虛擬臺架；臺架試驗

前言

某車型進行后懸架結構改造，將原有的螺旋彈簧懸架結構改造為鋼板彈簧懸架結構，從而提高該車型承載能力來滿足客貨兩用的需求。其中以借用其他車型鋼板彈簧減震器支架的臺架試驗驗證和優化設計過程為例，論述如何應用Solid -works軟件建立疲勞臺架試驗輔助設計平臺設計搭建的虛擬試驗臺架進行失效分析，疲勞壽命仿真，同時配合臺架試驗達到優化臺架試驗驗證和汽車底盤零部件設計的目的。

1 臺架試驗載荷的建立

1.1 道路載荷譜的處理

通過在減震器本體沿著減震器軸向布置T型應變橋，并且通過試驗臺架對微應變和軸向力的關系進行標定，使數據采集設備直接輸出軸向的力載荷譜。并在北京試驗場的強化路面以半載工況進行數據采集，通過Glyphworks數據分析軟件處理后，得到對應的道路載荷譜，應變傳感器布置方式和半載工況減震器軸向載荷譜如圖1、2所示。

圖1 應變傳感器布置方式[1]

圖2 半載工況減震器軸向載荷譜-[2]

利用Glyphworks數據分析軟件對減震器軸向載荷譜進行偽損傷計算，再利用同一數學模型對減震器軸向載荷譜進行偽損傷等效運算，將隨機載荷譜等效成定頻等幅值載荷譜。半載定頻等效等幅值載荷譜如圖3、4所示。

圖3 單循環等效等幅值載荷譜-[2]

圖4 10公里強化路面等效等幅值載荷譜-[2]

1.2 疲勞試驗條件的建立

從圖3、4得出，等效等幅值載荷譜的一個力值循環為F=1.5kN±3kN，頻率為f=1Hz。10公里強化路面的道路載荷等效為20個循環。根據相關汽車行業試驗標準，某車型底盤零部件半載需要通過9000公里的強化道路試驗才能滿足設計要求，因此該減震器支架需要承受180000次循環才能滿足設計要求。根據底盤后懸架總成數模結合多體運動學分析得到減震器支架受力正方向為沿ZX平面第四象限與X+軸夾角60o方向，如圖5所示。

圖5 減震器支架受力方向示意圖

由此可最終確定減震器支架的疲勞試驗條件為：F=1.5 kN±3kN，f=1Hz，沿ZX平面第四象限與X+軸夾角60o方向為正方向加載，承受180000 循環不得出現開裂現象，720000循環未開裂則停止試驗。

2 虛擬臺架仿真分析和優化設計

2.1 虛擬臺架設計與試驗臺架建立

首先根據臺架試驗條件，利用Solidworks軟件建立疲勞臺架試驗輔助設計平臺對減震器支架疲勞試驗臺架進行設計和虛擬搭建，建立減震器支架疲勞試驗臺架。如圖6、7所示。

圖6 減震器支架虛擬臺架設計[3]

圖7 減震器支架試驗臺架建立

2.2 虛擬臺架仿真和失效分析

圖8 -1.5kN應力109MPa[6]

圖9 4.5kN應力326.9MPa[6]

減震器支架經過首輪臺架試驗約130000循環時，在減震器鏈接桿根部焊縫發生開裂現象（裂紋約10mm）。材料為QSTE550TM，屈服極限550Mpa[4]，通過虛擬臺架COSMOS -works仿真分析，結合Glyphworks軟件計算得疲勞壽命為52356循環[5]，估計疲勞壽命約為52356~209424循環，說明借用減震器支架不能滿足該車型設計要求。虛擬臺架仿真分析結果和失效外觀如圖8、9、10所示。

圖10 失效外觀

從仿真結果看出，減震器支架開裂的部位和虛擬臺架仿真分析最大應力集中部位一致，從而判定減震器失效原因是由于連接處根部焊縫應力集中過大造成的。

3 零部件優化設計與臺架試驗驗證

根據虛擬臺架仿真結果和臺架試驗結果的綜合對比，減震器支架失效部位和最大應力集中部位一致，所以如何分散或降低應力集中是優化設計的方向。借用減震器支架結構和減震器支架優化結構如圖11、12所示。

圖11 借用減震器支架結構

圖12 減震器支架優化結構

首先根據減震器支架的結構來看，連接處相當于一個圓柱形懸臂，而試驗載荷施加在懸臂的端部，根部和支架本體的焊縫部位相當于杠桿的支撐點，根部承受的是試驗交替力值作用在懸臂端部形成的彎矩造成的交替應力。

降低應力主要有兩種方案，一是增大圓桿直徑，從而增大剛度來抵抗彎矩；二是減短懸臂的長度從而減少彎矩的幅值。由于空間和裝配位置的限制，增大圓桿直徑提高剛度顯然作用微乎其微，所以以第二種方案為主，由于安裝位置不變，所以圓桿的長度不能變，因此將本體加長20mm，相當于縮短懸臂20mm，同時彌補因本體加長給本體鈑金增加的彎矩，將圓桿直徑增加1mm。優化設計后虛擬臺架仿真分析結果如圖13、14所示。

圖13 -1.5kN應力83.33Mpa[6]

圖 14 4.5kN應力251.5MPa[6]

從仿真結果可以看出，減震器支架優化設計后根部焊縫應力降低至優化設計之前的76.8%。再結合Glyphworks 軟件計算得疲勞壽命為239669循環[3]，估計疲勞壽命約為239669~958676循環，理論上滿足該車型零部件設計要求。第二輪臺架試驗，對3個優化后的減震器支架進行了驗證，試驗結果完全滿足設計要求。數據如表1所示。

表1 優化后減震器支架試驗結果

4 結論

將虛擬臺架同時應用于輔助設計和疲勞仿真中，既可以有效地將試驗樣件結構材料參數和試驗臺架結構材料參數作為統一的整體進行分析，使零部件的約束條件和仿真結果更加真實準確；又可以將仿真結果和臺架試驗進行對標和相互校核，從而為零部件失效分析和優化設計提供可靠的技術支持，實現了一個有效的閉環的試驗驗證與零部件設計開發流程。

[1] MTS. Durability Test Technology for Ground Vehicles and Components [Z]. USA: MTS, 2001.

[2] Ncode. HBM Glyphworks work examples [Z]. USA: MTS, 2010.

[3] SRAC. Solidworks Reference [Z]. USA: MTS, 2007.

[4] GB/T222-2006, 鋼的成品化學成分允許偏差[S].

[5] Ncode. Glyphworks Fatigue Damage Examples [Z]. USA: MTS, 2010.

[6] SRAC. Solidworks Cosmos Works [Z]. USA: MTS, 2007.

Application of Virtual Test Bench in Optimization Design of Parts of Automotive Chassis

Yu Hongbin1, Tian Cuicui2

（1.Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141; 2.Brilliance Automotive Company Limited, Liaoning Shenyang 110044）

The paper takes plate spring damper bracket fatigue test of a vehicle type as an example. The virtual test bench was designed by fatigue bench test aided design platform which built by Solidworks. And then accomplish the bench test. The failure mode is determined by analyzing the failure position of the chassis parts. The bench test and simulation of virtual test bench can be checked each other through the comparison of themselves. Then the final optimized design scheme of the chassis parts can be confirmed. In this paper, the important effect of simulation of virtual test bench for the bench test and optimization design of chassis parts will be discussed through the example stated above. Then a closed loop of the develop -ment process for automobile chassis parts can be built. It will help to improve the efficiency of automobile chassis parts development.

Automotive Chassis; Failure Analysis; Virtual Test Bench; Bench Test

B

1671-7988(2018)20-103-03

U467

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1671-7988(2018)20-103-03

U467

于宏濱，男，碩士學位，中級職稱，就職于華晨汽車工程研究院，任疲勞臺架試驗工程師，主要從事道路載荷譜分析處理，零部件失效分析，整車及底盤零部件疲勞臺架試驗工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.038