載貨車提升橋固定支座焊接疲勞分析

賓 凌

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

0 引言

某6X2載貨車，雙后橋形式，最后一根軸為提升橋。該車在完成90%的可靠性道路試驗里程時出現提升橋固定支座（后面簡稱固定支座）開裂的問題。需要對固定支座結構進行改進。

開裂的部位是在固定支座的吊耳與側板之間的焊縫處，如圖1所示。很顯然，該問題屬于典型的疲勞失效故障，可以采用疲勞壽命分析方法來校核固定支座的強度，又因為開裂部位是在其焊縫處，因此決定采用焊接疲勞分析方法校核其強度。

圖1 固定支座開裂部位

1 焊接疲勞分析的理論

本次分析涉及兩個理論：Miner線性累積損傷、有效結構應力法。

Miner線性累積損傷理論認為[1]，構件在k個應力水平Si作用下，各經過ni次循環，則其總損傷可以表示為：

式中，D——總損傷；

Di——某一應力水平Si作用下的損傷；

ni——某一應力水平Si作用的循環次數；

Ni——某一應力水平Si作用的總循環次數；

k——應力水平數量。

當D<1時，構件是安全的；當D≥ 1時，構件會發生破壞。

有效結構應力法的原理是[2]：當構件受到外力作用時，焊縫的焊趾上產生的應力由結構應力和缺口應力兩部分組成。結構應力與外力互相平衡，而缺口應力處于自平衡狀態。因此，在有限元計算中，在外力給定的條件下，無論焊趾單元上的網格節點數量有多少，所有節點的合力總是與外力平衡的，通過計算節點的結構應力來求解焊縫的疲勞壽命，結果具有高度一致性，這就避免了網格尺寸對計算結果的影響問題。

節點上的結構應力可表示為：

式中，n——節點數；

t——單元厚度；

L-1——單元長度等效矩陣的逆矩陣；

Fyn——各節點力；

Mxn——各節點力矩；

l1～ln-1——各節點間距離。

2 分析基本流程

對固定支座進行焊接疲勞分析，基本流程如下：

（1）確定載貨車行駛的典型道路及比例關系，分別在每種典型道路下，按整車重載行駛狀態，測量一段里程下固定支座的外載荷時域數據。

（2）創建固定支座的靜力學有限元模型，按準靜態法計算單位載荷作用下的固定支座焊縫的應力結果。

（3）將外載荷時域數據和應力結果導入到疲勞分析軟件中，計算固定支座焊縫的疲勞壽命（循環次數）

（4）判斷疲勞壽命結果是否滿足要求，如果不滿足，更改固定支座結構，重復（2）、（3）步驟。

3 固定支座外載荷的獲取

3.1 受力分析

固定支座的結構如圖2所示。它是由多塊不同厚度的鈑金件拼焊而成，材料均為510 L鋼材，其屈服強度為355 MPa，抗拉強度 ≥ 510 MPa。

圖2 固定支座的結構

固定支座的在整車中的裝配關系如圖3所示。它的前端與氣囊固定在一起，氣囊的底部固定在車架上，固定支座的吊耳與橫向推力桿的一端鉸接，橫向推力桿可以繞著鉸接軸小角度轉動，橫向推力桿另一端鉸接在車架上，而固定支座的底部則焊接在提升橋的橋殼上。

圖3 固定支座裝配關系

在整車可靠性道路試驗時，提升橋為落地狀態，提升橋兩端的車輪與地面接觸，對整車起支撐作用，此時氣囊處于放氣狀態，剛度很小，氣囊對固定支座的作用力可以忽略不計。如果將提升橋兩端看成是固定約束，那么固定支座主要受到橫向推力桿的作用力。根據經驗，橫向推力桿對固定支座的彎矩和扭矩非常小，可以忽略不計，因此固定支座主要受到橫向推力桿的軸向力作用。

3.2 測量載荷

根據調研結果，該載貨車主要在高速公路、一般公路（包括國道、省道）及市區環城路行駛，其總設計里程和各道路比例見表1所示。

表1 測試的典型道路及比例關系

測量載荷的方法是：按整車總重25 t狀態，分別在各典型道路上行駛，測量出橫向推力桿的軸向載荷時域數據，采樣頻率為512 Hz，最終測量結果如圖4所示。

圖4 典型道路測試數據（部分）

4 固定支座的有限元分析

4.1 工況簡化

由于車輛在行駛中提升橋會上下跳動，這就造成橫向推力桿對固定支座的作用力不僅大小在變化，角度也在不斷變化，因此存在無數種工況。為簡化工況，經過3D幾何關系校核，發現提升橋運動到上下兩個極限位置時，橫向推力桿軸向夾角只有11.4°，如果將固定支座受到的作用力的角度設成該夾角的中間值，那么作用力角度誤差最多只有5.7°，這是可以接受的。如此一來，固定支座的靜力學工況可以簡化為一種，即固定支座的吊耳上施加單位載荷，載荷的角度設置為橫向推力桿在上下極限位置夾角的中間值。

4.2 有限元模型創建

創建固定支座的靜力學有限元模型，如圖5所示。模型中包含整個固定支座以及一段提升橋橋殼，橋殼兩端設置為固定約束，約束6個方向自由度，在固定支座吊耳上的螺栓孔處施加單位載荷。

圖5 固定支座有限元模型

由于研究的對象為焊縫，因此還需要創建焊縫的特征，焊縫的分布和形狀如圖6所示。整個模型采用實體網格劃分，其中焊縫采用六面體或五面體網格，網格大小為2 mm，提升橋橋殼和固定支座采用四面體網格，網格大小為3 mm。

圖6 固定支座上的焊縫

4.3 有限元計算

經過計算，得到固定支座的應力結果，如圖7所示。

圖7 單位載荷作用下的應力云圖

5 焊接疲勞分析過程

5.1 焊接疲勞分析設置

本次焊接疲勞分析主要采用Fe-Safe軟件中的Verity焊接疲勞分析模塊。該模塊的一大特色是基于有效結構應力法，疲勞計算結果對模型的網格不敏感，可有效的排除網格尺寸對疲勞計算結果的影響。

將測試得到的載荷時域數據和固定支座的應力結果導入到Fe-Safe中，然后進行疲勞分析工況和焊縫參數的設置。

這里分別創建高速公路、一般公路、市區環城路三種工況，指定每種工況下的應力結果和對應的載荷時域數據，同時設定載荷的重復倍數，該重復倍數由典型道路的總里程除以同一種道路下所測得的載荷時域數據的對應里程得來，不同道路的總里程可根據表1中道路比例關系換算得到。

焊縫的參數設置主要是在Verity模塊中完成。需要設置每條焊縫上焊趾的單元集和節點集，每條焊趾第一個單元的編號、法向以及第一個節點的編號，其目的是由Verity來計算焊趾上的結構應力。最后是指定焊縫的材料疲勞屬性，Verity自帶有多種類型的焊接材料疲勞屬性，本次分析選擇50%存活率的鋼材料焊接疲勞屬性。

5.2 焊接疲勞計算結果

完成所有設置后，進行焊接疲勞計算，疲勞壽命結果如圖8所示。圖中顯示的焊縫壽命數值為對數形式，從結果可知，固定支座吊耳與側板之間的焊縫處最小壽命為100.1049，即1.273，表示重復完成總設計里程的次數為1.273次，概率為50%。在實際中固定支座未能通過可靠性試驗，因此需要對其結構做改進。

圖8 固定支座的焊縫疲勞壽命云圖

6 固定支座改進方案和焊接疲勞分析

6.1 改進方案說明

為降低開裂部位焊縫的應力，同時兼顧制造成本，決定只增大吊耳的尺寸，將吊耳向下延伸至提升橋橋殼上，并與橋殼焊接在一起，同時在吊耳內部增加加強板。改進方案的結構如圖9中b）所示。

圖9 原結構與改進方案的對比

6.2 焊接疲勞分析及結果對比

按同樣的分析方法，對改進方案做焊接疲勞計算，疲勞壽命結果如圖10所示。從結果可知，改進方案的焊縫最小壽命為100.2645，即1.839次。

圖10 改進方案的焊縫疲勞壽命云圖

將原結構與改進方案的焊縫疲勞壽命進行對比，如表2所示。從表中可以看出，改進方案的焊縫疲勞壽命比原結構提升了44%，考慮到原結構在完成90%的可靠性路試時才出現開裂現象，改進方案疲勞應該能夠滿足強度要求。

表2 固定支座新老結構疲勞壽命對比

隨后，對改進方案進行了整車可靠性試驗驗證，試驗過程中沒有再出現開裂問題，順利通過試驗，從而驗證了改進方案的可行性。

7 結論

（1）基于有效結構應力法對固定支座的焊縫進行了疲勞壽命預測，并根據分析結果對固定支座做了結構改進，并按同樣方法對改進方案做了焊接壽命預測。分析結果表明，改進方案比原結構的疲勞壽命提升了44%，隨后通過可靠性試驗驗證了改進方案的可行性。

（2）采用這種分析方法有兩個優點，一是計算結果受有限元模型網格尺寸的影響很小，能夠更準確的分析變化趨勢；二是該分析方法的計算結果為壽命里程，與設計目標為同一物理量，能夠很直觀地判斷分析結果是否能滿足設計要求。