1 概述

　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，在輕量化設計的同時，對汽車的安全性和可靠性要求越來越高，對汽車零部件的疲勞壽命分析預測是汽車設計生產中的重要環(huán)節(jié)，同時也是汽車質量的重要保障。傳統(tǒng)分析方法是基于實車，通過道路測試或者臺架試驗來完成。缺點是周期長、耗費大、安全性低。這就需要一種快速的有效疲勞分析和設計方法縮短產品的設計周期，進而降低研發(fā)成本，提高市場競爭力。隨著虛擬樣機和虛擬仿真技術的飛速發(fā)展，疲勞壽命分析虛擬仿真技術越來越多地應用于汽車的開發(fā)過程中。

　　本文以某車麥弗遜獨立懸架的下擺臂為分析對象，通過綜合運用多體動力學仿真、有限元和疲勞分析等手段，應用疲勞累積損傷等理論，在基于HyperWorks的虛擬仿真平臺中完成了對結構的疲勞壽命預測，疲勞分析流程圖如圖1所示。

　　圖1疲勞耐久分析流程

　　2 前懸架虛擬試驗臺架多體模型的建立與仿真

　　2.1 多體動力學模型與激勵

　　某車前懸架虛擬試驗臺架多體模型如圖2所示，模型在MotionView中搭建，左輪和右輪輪心處加載垂向位移激勵、縱向載荷激勵、橫向載荷激勵和垂向扭矩激勵，激勵信號為六分力車輪力傳感器實車試驗測得，左右輪輪心激勵如圖3~圖6所示。

　　圖2前懸架虛擬試驗臺架多體動力學模型

　　圖3左輪和右輪輪心處垂向位移信號

　　圖4左輪和右輪輪心處縱向力信號

　　圖5左輪和右輪輪心處橫向力信號

　　圖6左輪和右輪輪心處垂向扭矩信號

　　2.2 多體動力學仿真結果

　　虛擬試驗臺架模型仿真分析輸出下擺臂三個連接點(下擺臂外點、下擺臂前點和下擺臂后點)的十五個載荷時間歷程，下擺臂三個連接點的載荷時間歷程如圖7~圖9所示。

　　圖7下擺臂外球鉸處縱向、橫向、垂向三方向載荷時間歷程

　　圖8下擺臂前點襯套處六方向載荷時間歷程

　　圖9下擺臂后點襯套處六方向載荷時間歷程

　　3 有限元模型的建立與參數(shù)設置

　　前懸架的零部件比較多，現(xiàn)選擇受力情況比較復雜的下擺臂進行分析。

　　3.1 網(wǎng)格劃分

　　下擺臂模型如圖10所示。模型使用HyperMesh劃分，采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)和單元數(shù)見表1。

　　圖10下擺臂有限元模型

　　表1下擺臂的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)

　　3.2 材料與屬性

　　計算中所使用的材料參數(shù)如表2所示，材料的S-N曲線示意圖如圖11所示。

　　表2下擺臂材料性能數(shù)據(jù)表

　　圖11材料SN曲線示意圖

　　4 疲勞分析部分

　　疲勞的定義為在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結構變化的發(fā)展過程。

　　疲勞失效在是交變應力作用下而產生，常表觀為低應力脆性斷裂(宏觀上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂)，并且常帶有局部性質，局部改變細節(jié)設計或工藝措施，就可增強疲勞壽命。它是一個累積損傷的過程，需要經歷三個過程：

　　(1)裂紋形成，即在零件的高局部應力處，較弱晶粒在交變應力作用下形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋;

　　(2)裂紋擴展;

　　(3)裂紋擴展到臨界尺寸時快速斷裂。因此，疲勞失效與應力循環(huán)次數(shù)有關。

　　RADIOSS疲勞分析方法是根據(jù)S-N曲線，應用線性疲勞累積損傷理論進行高周疲勞壽命估算，步驟如下：

　　(1)靜態(tài)分析確定結構中的危險部位及相應名義應力;

　　(2)根據(jù)載荷時間歷程，確定危險部位的名義應力時間歷程;

　　(3)根據(jù)疲勞試驗數(shù)據(jù)修正材料S-N曲線，得到零部件S-N曲線;

　　(4)應用疲勞損傷累積理論，求出危險部位的疲勞壽命。

　　下擺臂疲勞壽命分析結果如圖12，下擺臂在本次分析工況中危險位置如果所示，最小循環(huán)疲勞壽命為7.297萬次循環(huán)，發(fā)生在下擺臂外球鉸的連接位置，但此處疲勞壽命過低的可能與此處的連接處理方式為剛性連接有關，其他位置的疲勞壽命均在25萬次循環(huán)以上。

　　圖12 下擺臂疲勞壽命分析結果

　　5結論

　　這是一套高度集成化的疲勞耐久性虛擬試驗方法，與傳統(tǒng)實車試驗及其它仿真方法相比，具有以下優(yōu)點：

　　(1)試驗過程安全可靠，周期短，耗費小。所采用的軟件全部為ALTAIR公司的HyperWorks產品，最大限度地減少了數(shù)據(jù)的傳遞損失。

　　(2)避免多通道的輸入輸出，整個流程實現(xiàn)自動化，盡可能少地減少軟件操作上的錯誤。

　　(3)作為虛擬試驗，試驗結果的可靠性依賴于整個分析過程中的各種分析條件的真實性。因此，該分析在一般條件下可作為汽車設計的指導和依據(jù)。

　　零件計算機疲勞仿真能夠較準確地預測零件的疲勞壽命，直觀的顯示零件的疲勞強度薄弱處。與常規(guī)的疲勞試驗相比，計算機疲勞仿真省時、省力，且不消耗零件，具有很好的經濟性，因此，計算機疲勞仿真是零件疲勞設計的重要手段，必將更廣泛的應用到汽車零部件設計中。