考慮焊接螺母的排氣管支架疲勞優化研究

徐成民，連志斌，李天兵

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

汽車排氣系統一般與發動機排氣歧管以及車身地板相連，受發動機振動和排氣激勵的影響，其振動相對較大，設計不佳可能引起排氣系統與車身地板連接處的疲勞開裂問題[1]。

朱品昌等[2]針對轎車排氣管掛鉤處的疲勞開裂問題，首先利用簡單的CBUSH單元對動力總成懸置系統、排氣管及吊耳等進行簡化，然后對簡化模型進行頻率響應分析來優化掛鉤的局部動剛度，最后通過增加剛度來提高掛鉤的疲勞壽命。王玉超等[3]利用傳遞函數法分析排氣系統掛鉤的局部固有頻率，優化與掛鉤連接的支架結構和車身地板的振動。 上官文斌等[4]建立了考慮動力總成在內的排氣系統振動分析模型，通過對吊耳動剛度的優化，有效地降低了車身底板的共振。

在上述研究之前，研究者針對排氣管掛鉤或支架的問題研究主要集中在局部動剛度上，即通過頻率響應分析提出加強支架等優化方案，以便提高局部剛度，從而解決共振或者疲勞問題。由于沒有利用疲勞仿真分析法，對開裂的位置進行疲勞壽命預測，且未考慮掛鉤或支架局部的開裂細節，單純地加強支架剛度，所以具有一定的局限性。本研究針對開發階段，樣車排氣管支架出現疲勞開裂的問題，通過ABAQUS和FEMFAT聯合仿真，在考慮螺母凸焊和螺栓預緊力的影響下，建立支架的局部模型進行疲勞分析，并提出優化方案；對支架模型進行局部疲勞試驗驗證，試驗結果和仿真結果趨勢基本吻合，將優化方案應用到實車中，成功地解決了開裂問題。

1 支架疲勞開裂分析

某車型樣車階段，在進行試車場強化路面和四通道液壓振動臺疲勞試驗時，樣車出現排氣管支架斷裂現象，如圖1所示。通過觀察實際開裂圖片可知，發生開裂的零件是排氣管支架，開裂位置出現在支架上焊接螺母的凸焊區域，凸焊螺母通過3條圓周均布的焊線與支架相連，而試驗中裂紋沿著螺母的兩條焊線向外擴展，直至發生三角形斷裂。排氣管連接示意圖如圖2所示。

圖1 排氣管支架疲勞開裂圖

圖2 排氣管連接示意圖

排氣管支架處的連接是通過凸焊螺母實現的，如圖3所示。螺母凸焊工藝是指通過上、下電極，將凸焊螺母焊接在薄鋼板上的焊接工藝[5]。隨著產品質量的不斷提高，凸焊螺母在汽車行業已經得到廣泛應用[6-7]。在車身上，一般是將凸焊螺栓（帶凸點的螺栓）或者凸焊螺母（帶凸點的螺母）焊在薄板上。這樣在裝配時，只需擰緊螺母或者螺栓就可以提高裝配功效[8]，具有生產效率高、電能消耗少、勞動環境改善、焊接質量好等優點。

圖3 局部模型連接圖

由于凸焊螺母是螺栓連接，需要考慮螺栓預緊力的影響。合理的螺栓預緊力不僅可以提高螺栓的疲勞強度，還可以增強連接件的緊密性，同時對連接的可靠性和被連接件的壽命都有益處[9]。螺栓預緊力是影響螺栓連接面力學特性的一個重要因素。在精度需求較高的含螺栓連接的有限元分析中，螺栓預緊力的影響不可忽視，需要精確模擬螺栓預緊力[10]。在整車系統級疲勞分析中，很難考察出局部復雜連接的疲勞問題。因此，需要對排氣管支架進行局部疲勞分析。局部模型螺栓連接剖面圖，如圖4所示。

圖4 螺栓連接剖面圖

2 有限元分析

2.1 非線性靜態分析

對局部進行建模分析，凸焊螺母和支架被劃分成六面體網格，網格尺寸為2 mm，螺栓通過Beam單元進行摸擬，并對螺栓施加預緊力，預緊力大小根據標準查得。通過共節點來模擬螺母與支架的焊接關系，其它部位通過接觸模擬，在掛鉤處施加載荷，如圖5所示。通過ABAQUS進行非線性靜態求解。

2.2 Miner線性累積損傷理論

圖5 有限元分析模型

根據S-N曲線進行全疲勞壽命分析，排氣管支架的S-N曲線通過調用疲勞軟件，以零件的應力結果為基礎，用雨流循環計數法和Miner線性累積損傷理論進行疲勞分析[11]。根據Miner線性累計損傷理論[12]，結構的疲勞損傷為：

式中：ni為應力水平Si循環的次數；Ni為結構在應力水平Si下的疲勞壽命。當累積損傷到達1時發生失效。

2.3 疲勞分析與優化

根據有限元非線性分析的結果，對上述模型施加正弦信號載荷，如圖6所示，用疲勞分析軟件結合線性累積損傷理論進行疲勞壽命分析。

圖6 正弦疲勞載荷歷程

疲勞壽命結果如圖7所示。由圖可知，損傷比較大的區域與實際疲勞開裂的位置（圖2）基本一致，即位于凸焊螺母焊接區域；危險區域的壽命次數為38.9×103次。

在此基礎上對方案進行優化，需要對局部結構進行加強。但考慮到成本最優，將圓形凸焊螺母（直徑為18 mm）改為法蘭螺母（直徑為26 mm），模型對比如圖8所示，螺母與支架的接觸面積變大。

圖7 圓形螺母疲勞損失云圖（優化前）

圖8 優化前后凸焊螺母對比剖面圖

在ABAQUS有限元模型更改的基礎上，得到優化方案的應力分析結果；對新模型進行疲勞模擬，疲勞仿真結果如圖9所示。由圖可知，損傷的分布發生了變化，危險區域的疲勞壽命次數變為344×103次，疲勞壽命得到很大提高。

圖9 法蘭螺母疲勞損失云圖（優化后）

3 疲勞試驗驗證

通過試驗對上述優化方案進行驗證。取支架局部零件安裝固定在試驗臺架上，如圖10所示。通過油缸進行加載，加載的載荷與仿真中的載荷保持一致，載荷頻率為10 Hz、幅值（Fa）分為550 N和450 N兩種正弦信號，如圖11所示。疲勞試驗結果見表1。

圖10 支架疲勞臺架試驗

圖11 臺架試驗油缸加載信號

表1 優化前后樣件試驗壽命（×1000次）

針對以上試驗優化前后的樣件試驗，典型的開裂模式如圖12所示，優化前圓形凸焊螺母和優化后法蘭凸焊螺母均在焊接區域產生裂紋，并向外擴展。

圖12 典型樣件開裂方式

對比試驗和仿真結果可知，試驗開裂的位置和仿真中的危險區域基本一致。壽命次數的比較如圖13所示。將試驗結果（表1）和仿真結果填入圖13，由圖可知，疲勞仿真中的壽命次數曲線（圖中的直線）與試驗結果趨勢基本吻合。此外，優化后的法蘭螺母的疲勞壽命（仿真和試驗）位于標準線之上（黑色直線）。分析表明，法蘭螺母的優化措施能夠提高結構的壽命。在后續的整車試驗中，優化后的法蘭螺母連接也沒有出現開裂，進一步驗證了本研究提出的疲勞分析方法的有效性。

圖13 疲勞壽命圖

4 結論

本研究提出的優化方案，在整車樣車疲勞試驗中再次得到了確認，支架不再發生疲勞開裂。僅通過一個螺母的更改可以解決開裂問題，而沒有額外增加零件成本，模具及工藝的費用也沒有增加，這是一般的分析模擬方法所不能達到的效果。

通過對實際疲勞開裂問題進行分析，考慮到螺母凸焊和螺栓預緊力的影響，對模型進行局部疲勞仿真模擬，并提出優化方案。在此基礎上，通過試驗對仿真結果進行驗證。針對凸焊螺母或者螺栓連接的疲勞開裂問題，通過建立局部疲勞模型進行仿真優化分析，并通過試驗來驗證疲勞預測。由此提出的疲勞優化方法能夠有效地指導結構設計，節省了大量的開發費用，具有一定的工程實用價值。