橫拉桿載荷譜采集與疲勞仿真分析

朱雄 丁玲 王朝斌 吳旭

摘 要：本文以某型汽車多連桿懸架橫拉桿為模型進行載荷譜時域歷程采集、靜強度校核、疲勞仿真分析。在橫拉桿上選擇合適位置粘貼應變片，組全橋測量軸向應變。在拉壓力試驗機上標定出橫拉桿軸向受力與測點應變之間的線性關系。根據可靠性試驗規范采集一個完整循環的橫拉桿載荷譜，為疲勞分析提供力信號輸入。建立橫拉桿有限元模型，對比實測應變與仿真輸出對應點應變，修改驗證模型，保證有限元模型的準確性。以實測載荷譜為輸入對橫拉桿進行疲勞仿真分析，驗證橫拉桿是否滿足可靠性要求。

關鍵詞：橫拉桿；載荷譜；有限元；疲勞仿真

中圖分類號：U467.3 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0064-03

Abstract： In this paper， the load spectrum time history acquisition， static strength checking and fatigue simulation analysis of a multi-link suspension rack rod are carried out. Strain gauges were pasted on the track rod to measure the axial strain. The linear relationship between the axial force of the track rod and the strain at the measuring point is determined on the tensile testing machine. According to the reliability test specification， a full cycle load spectrum of track rod is collected to provide force signal input for fatigue analysis. The finite element model of thetrack rod is established， the corresponding strain of the measured strain and the simulation are comparedto ensure the accuracy of the finite element model. Based on the measured load spectrum， the fatigue analysis is carried out to verify whether the track rod meets the durability requirements.

Key Words： track rod； load spectrum； finite element； fatigue simulation

1 前言

多連桿懸架橫拉桿在汽車行駛過程中將路面激勵傳遞到車身，長時間承受著交變載荷作用，可靠性需要得到充分驗證。本文通過應變標定測出橫拉桿實際受力的時域歷程，建立橫拉桿有限元模型并結合試驗驗證。以實測載荷譜為輸入進行疲勞仿真分析，驗證橫拉桿是否滿足可靠性要

求。同時找出危險點，為設計開發及試驗工作提供參考。

2 橫拉桿載荷譜測量

2.1 應變片粘貼及標定

在橫拉桿上選擇合適位置打磨、粘貼應變片，兩個十字雙向應變片對稱粘貼在兩側，接線組成全橋。主應力方向平行于橫拉桿軸向。應變片粘貼位置見圖1：

制作合適的夾具，將橫拉桿固定在拉壓力試驗機上，見圖1。拉壓力試驗機輸出拉壓力和位移信號至數采系統，與橫拉桿上應變信號時域同步采集。采樣率為100Hz。對橫拉桿進行力與應變的標定，標定結果見圖2。將橫拉桿受力后測得的應變信號轉換為力信號。

2.2 耐久規范載荷譜采集

參考可靠性試驗規范采集一個完整循環的橫拉桿載荷譜。包含了1#綜合路、2#綜合路、一般公路、城市工況、高速工況、坡道、比利時路等7種路面類型。采集得到的橫拉桿信號實際為應變信號，質量較差，存在溫漂、毛刺等。需要對其去毛刺、去趨勢、濾波處理[1]，得到質量較好的信號。以1#綜合路為例展示采集到的橫拉桿載荷譜，見圖3。從時域歷程中可以得出橫拉桿受力最大值為7230N。

3 橫拉桿有限元模型建立及驗證

3.1 有限元模型建立

根據橫拉桿三維數模建立有限元模型，采用實體網格。為了保證計算精度，結合橫拉桿實際尺寸，確定劃分網格單元尺寸為1mm。共有346565個單元、76075個節點。材料為Q235，屈服極限235MPa，抗拉壓強度為430MPa，在有限元模型中賦予材料屬性。有限元模型見圖4：

3.2 模型校核

有限元模型建立完成后需要對其進行校核。按照橫拉桿的實際情況為模型設置約束和受力。取有限元模型上對應實際應變片粘貼位置的單元（ID號為81979），靜力分析輸出該單元的應變信號。對比拉壓力試驗和靜力仿真試驗同一單元應變信號，驗證模型是否有效，見表1。載荷譜信號中橫拉桿最大受力為7230N，所以只驗證13000N以內的載荷。由表1可以得出仿真應變信號與實測應變信號很接近，驗證了模型的有效性。

4 橫拉桿靜力分析

4.1 單位力下應力分布

以單位力1N為邊界條件進行靜力分析，為疲勞仿真提供輸入。單位力下的應力分布云圖見圖5：

4.2 靜強度分析

以最橫拉桿最大受力對橫拉桿進行靜強度校核。靜力仿真分析結果見圖6：

分析得出橫拉桿最大應力出現在U形卡槽與圓桿連接處，見圖6。最大應力為207Mpa，小于材料屈服極限235Mpa，靜強度滿足要求[3]。

5 疲勞仿真分析

對實車行駛試驗中測試的橫拉桿載荷譜進行頻譜分析，確定其所受載荷頻率范圍為2-10 Hz。對橫向穩定桿進行自由模態分析，得到其一階固有頻率為109Hz，遠大于受載頻率[2]。且橫拉桿的最大等效應力低于材料屈服極限，故采用靜態有限元疲勞分析方法對橫拉桿進行疲勞仿真計算。

對實際構件進行尺寸效應、應力集中、載荷形式、循環特征還有表面加工狀態等方面的修正。采用Goodman 方法修正平均應力。基于橫拉桿材料的應力—壽命曲線，在軟件輸入一個完整循環的載荷譜和單位力下應力分布，仿真分析出橫拉桿的疲勞壽命。疲勞壽命云圖見圖7：

從圖中可以看出疲勞破壞最易發生的地方在U形卡槽與圓桿連接處，最小壽命為1787個循環。可靠性試驗一共包含533個循環，橫拉桿最小疲勞壽命為1787個循環。所以橫拉桿滿足可靠性要求。在可靠性試驗過程中橫拉桿未出現失效情況，也驗證了疲勞仿真結果的準確性。

6 結論

根據對橫拉桿的有限元靜力學分析和疲勞壽命分析可以得出結論：橫拉桿壽命最薄弱的部分在U形卡槽與圓桿連接處，可以通過提高結構表面精度和在設計上減小集中應力的方法來改善這部分的疲勞損傷狀況。預測了危險點，在結構設計時就能找出疲勞壽命的薄弱位置，優化設計方法。在可靠性試驗檢查維護時，可以重點針對疲勞薄弱部位增加檢查頻次，預防疲勞斷裂事故的發生。

參考文獻：

[1]于海波.汽車承載系試驗場用戶關聯可靠性試驗方法[D].研究長春：吉林大學，2008.

[2]王國軍，閆清東，孟憲峰.汽車減震器支座疲勞開裂原因分析[J].農業裝備與車輛工程，2006（5）：23-25.

[3]朱茂桃，奚潤，李偉.某輕型汽車后橋殼體疲勞壽命分析[J].汽車技術，2009（1）：34-37.