试验场道路对扭梁的损伤贡献度分析研究

王文龙， 李华雷， 于志超， 陈欢欢， 高利

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心,河北保定 071000)

试验场道路对扭梁的损伤贡献度分析研究

王文龙1,2， 李华雷1,2， 于志超1,2， 陈欢欢1,2， 高利1,2

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心,河北保定 071000)

借助于ABAQUS软件对扭梁模型进行静力学仿真分析，根据分析结果确定易失效位置完成应变片粘贴，在试验场进行整车道路载荷谱数据采集。利用Ncode Glyphworks搭建流程进行数据分析，得出各贴片位置疲劳损伤的贡献度，确定结构失效风险位置，为产品结构的优化提供参考。

扭梁；道路载荷谱；损伤；仿真分析

0 引言

作为汽车的重要系统之一，汽车悬架不仅承载着路面通过轮胎传递的各种复杂外载，而且车身对它的冲击也不容忽视，其结构性能的好坏直接影响车辆的安全，往往会给客户带来巨大的人身伤害和财产损失[1]。扭梁式悬架由于结构简单、成本低廉，被广泛用于小型车和紧凑型轿车上[2]。

国外学者对汽车零部件的疲劳耐久进行了很多系统的研究，国内处于刚起步阶段，结合真实试验场道路载荷谱的零部件CAE疲劳分析也处于摸索阶段，缺少具有指导意义的数据库。为了给后悬架的疲劳强度设计指出关键分析方向，文中建立了不同试验场道路对扭梁疲劳损伤贡献度的数据库。

1 扭梁结构有限元分析

1.1 有限元模型

借助于HyperMesh软件建立扭梁结构的有限元模型(如图1所示)，结合后扭梁的相应结构选取合适的单元类型。除扭梁本体和纵臂采用四面体单元进行网格划分外，其他均为冲压加工钣金件，采用壳单元进行网格划分。模型共包含85 634个节点、69 862个单元，其中壳单元20 859个、四面体单元49 003个、刚性单元8个。

图1 扭梁有限元网格图

1.2 仿真分析

在该模型的静力分析中，由于只考虑材料的线弹性特性，因此可采用通用材料属性(如图1所示)，采用惯性释放计算8个硬点的应力结果。所涉及工况包括后4g(向后规定载荷4g，g为重力加速度)、上4g(向上规定载荷4g)、右3g(向右规定载荷3g)、转向、制动和驱动，分析结果见表1。

表1 分析结果

结合分析结果可知：扭梁本体最大应力值为502.3 MPa，出现在上4g工况；轮毂支架最大应力值357.8 MPa，出现在后4g工况；螺旋簧安装支架最大应力值为548.3 MPa，出现在上4g工况，除后4g工况应力值稍有减小外，其余工况应力值较更改前均有所增大；纵臂最大应力值为539.2 MPa，出现在后4g工况，位于焊道末端，且转向工况超出其材料的屈服极限；轮毂安装板最大应力值为175.7 MPa，出现在转向工况，未超过其材料的屈服极限，满足强度要求；制动钳连接板最大应力值为293.6 MPa，出现在转向工况，未超过其材料的屈服极限，满足强度要求。

2 试验场道路载荷谱采集

2.1 传感器选择及布置

结合CAE分析结果及前期零部件失效点的经验，在扭梁结构上选择易失效位置进行应变片粘贴，具体位置见图2。

图2 应变片布置示意图

2.2 测试工况简介

此次测试用试验车为满载状态，在徐水试验场进行。根据国内外各汽车公司长期所积累的经验，目前载荷谱采集方法主要有5种[3]：

(1)一辆试验车由一名特定的试验司机在选定的路段进行多次试验(美国福特公司)；

(2)一辆试验车指定多名司机分别在选定的不同路段进行试验(瑞典VOLVO公司)；

(3)一辆试验车指定多名司机分别在相同的路段进行试验(德国奥迪公司和ZF公司)；

(4)一辆试验车指定一名司机跟随相关用户在相应路段进行试验(德国奥迪公司)；

(5)多辆试验车由多名司机在相同路段进行试验(美国通用公司)。

综合考虑成本及试验时间，最终选择方法三(选择3名司机)，通过GPS测取试验车行驶轨迹。其中包含各种疲劳耐久路(见表2)，对13种路况(搓板路、短波路、国情路、坑洼路、卵石路、扭曲路、比利时等)进行数据采集，采集3遍数据。

表2 疲劳耐久路路况明细表

2.3 测试结果

由于扭梁结构左右对称，测试通道共54个(左右各27个)，通过数据采集设备记录所有时段的载荷谱数据，如图3所示为部分应变数据，总共900 s。

图3 部分应变数据曲线图

3 载荷谱数据处理

通过数据处理如滤波、毛刺剔除、去漂移等预处理获得了可用于结果分析的有效数据。借助于Ncode Glyphworks软件搭建数据统计及损伤计算流程，对数据进行最大值、最小值和全寿命整体损伤值的计算[4]，所得各路况具体数值见表3。各通道在搓板路制动、扭曲路和紧急转向中应力出现最大值，总损伤较大位置为3号、4号和12号，是由扭梁本体加工工艺造成，需对其进行改进。

表3 各通道总体损伤值

4 小结

以某型后扭梁为研究对象，结合有限元分析和数据采集技术，基于试验场采集的应变数据，通过数据处理如滤波、毛刺剔除、去漂移等获得了可用于结果分析的有效数据。基于实测载荷谱对后扭梁各点进行了疲劳损伤分析，找出现有结构的失效风险点，对提高部件的疲劳耐久性具有现实意义。

【1】李舜酩.机械疲劳与可靠性设计[M].北京：科学出版社,2006：71-72,78-106.

【2】陈海，陈正康，龚成斌等.轿车后扭梁轴扭杆优化[J].汽车实用技术，2011(7)：44-45.

【3】张小龙，宋健,冯能莲,等 汽车道路试验测试方法研究进展[J].农业机械学报，2009,40(4):38-44. ZHANG X L,SONG J,FENG N L,et al.Research Progress of Measurement Method for Vehicle Road Way Test[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(4):38-44.

【4】MINER M A．Cumulative Damage in Fatigue[J]．Journal of Applied Mechanics，1995( 12):159-164．

Contribution Analysis of Proving Round Road on Fatigue Damage of Twist Beam

WANG Wenlong1,2, LI Hualei1,2, YU Zhichao1,2, CHEN Huanhuan1,2, GAO Li1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineer Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

With the aid of finite element software ABAQUS, static simulation analysis for twist beam was made.According to the analysis results, easy failure locations were determined on which strain gauges were pasted.The vehicle road load spectrum data acquisition was completed in the testing field. Using Ncode Glyphworks, processing flow was built to carry out data analysis, and the contribution of each position to fatigue damage was obtained, so the locations with structural failure risk could be determined. The research provides reference for the optimization of product structure.

Twist beam; Load spectrum; Damage; Simulation analysis

2016-08-26

王文龙(1980—)，男，本科，工程师，研究方向为汽车底盘零部件疲劳耐久验证。E-mail:lhl20160000@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.011

U463

A

1674-1986(2017)02-044-04