基于有限元法的汽车构件疲劳寿命分析

态疲劳分析方法…。 ３疲劳寿命Ｓ一Ⅳ预测方法
疲劳寿命的估算分为裂纹形成阶段寿命估算和 裂纹扩展阶段寿命估算两部分。常用的疲劳寿命计 算方法包括名义应力寿命法、局部应变寿命法和裂纹 扩展计算法。针对样例的分析，只介绍Ｓ—Ｊ『＼『方法。
名义应力法又称Ｓ一Ⅳ方法，强调长疲劳寿命和 耐久性的限制，或假定疲劳失效不会发生时的安全应 力。它以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础，利用 名义应力或局部应力和寿命之间的关系，主要应用在 线性弹性应力的分析中Ｈ】。其设计思路是：从材料 的Ｓ一Ⅳ曲线出发，再考虑各种影响系数的影响，得 出零件的Ｓ—Ｊ＼，曲线，并根据零构件的Ｓ一Ⅳ曲线进 行抗疲劳设计。当使用Ｓ一Ⅳ曲线的水平区段—— 疲劳极限进行设计时称为无限疲劳设计；当使用Ｓ一 Ⅳ曲线的倾斜部分进行抗疲劳设计时称为名义有限 寿命设计¨Ｊ。名义应力法的流程如图ｌ所示。 ４路面载荷时间历程的获取
用ＭＳＣ系列有限元分析和疲劳软件对下控制臂进行分析，计算了其应力特性和疲劳寿命。
关键词：有限元；疲劳分析；Ｓ一Ⅳ疲劳分析
中图分类号：Ｔｉｌｌｌ３．２＋２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００７—４４１４（２００８）０２一００５７一０４
Ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＥＭ
万·５方８·数据
悬架的仿真分析是为了对其中的转向节进一步 地有限元分析和疲劳寿命计算，得到的转向节在竖直 方向的受力随仿真时间的变化，经仿真动画计算，得 出转向节上端受力的载荷时间历程，如图５所示。
根据动力学仿真分析的结果，通过确定坐标标记 确定ＡＤＡＭＳ输出的构件为刚性构件，即下控制臂。 载荷的作用点为下控制臂球头销连接处，在载荷的作 用点设置坐标标记以获得作用点的载荷值，同时可指 定载荷作用点的节点号（在有限元分析中，ＭＳＣ系列 软件将自动的匹配运算确定节点号的对应关系），输 出仿真５０ｓ时刻下控制臂的载荷历程信息。由ＡＤ－
万方数据
·５７·
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２００８硝
机械研究与应用
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ
第２ｌ卷第２期 ２００８年４月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
以汽车企业长期积累的相关车型的路面载荷数据库 或典型零件的经验载荷数据库等作为参考载荷进行 疲劳分析。
（３）半理论分析方法根据部分位置的测量载 荷，通常为轮轴的载荷，利用多体动力学等方法可以 得到其它连接位置的载荷。
通过试验方法获得材料疲劳性能一般通过成组
法测定ｓ—Ｊ『＼，曲线，选取４—５级应力水平，从高到低 进行试验。试验后将对数疲劳寿命的中值或均值在对
数坐标上进行线性回归，即可得出Ｓ—Ｊｖ曲线的斜线
部分，再将此斜线与疲劳极限确定的水平线光滑连 接，即可得出完整的Ｓ一』、ｒ曲线。由二参数Ｓ一Ⅳ曲
线的测定方法口Ｊ，用最ｚｂＺ．乘法得出Ｓ一Ⅳ曲线的拟
由分析结果可看出，整体上下控制臂的疲劳强度 足够，疲劳寿命均超过了工程上循环ｌＯＥ６次的要 求；存在疲劳强度薄弱处。但危险区最小安全因子 １．０３，安全系数偏小，存在疲劳破坏的隐患。最低疲 劳寿命１．７４Ｅ６次循环，载荷时间历程５０ｓ，则下控制 臂时间寿命Ｉ．７４Ｅ６·５０＝８。７０Ｅ７ｓ，共计２４１６７ｈ。若 每天行驶８ｈ，换算后得到寿命约８．３年。因此，该下 控制臂存在应力集中现象，在长期的变化载荷作用下 会产生破坏。由于条件的限制．。无法进行试验对比， 因此本文仿真结果有待试验验证。 ７ 结语
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ＡＭＳ计算输出路面载荷谱．ＤＡＣ文件。
图５载荷时间历程 ５．２建立有限元模型
在ＰＡＴＲＡＮ中采用％ａ６和ＴｅｔｌＯ单元对其进行 划分，划分完后模型的单元数是９３１０个，节点数 ４６５６个。划分后的有限元模型如图６所示。
ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｏｆ蚰ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｉＢ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ∞ｉＩＩｇ ＡＤＡＭＳ－ ａｎｄ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｃｏｎｔｒｏｌ删ｉｓ Ｂｔ嗍ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｌｏｗ
ａｌｓｏ ａｌｌａｌ弘ｏｄ ｂｙ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ＭＳＣ ａｎｄ ｉｔｓ ｆａｔｉｇｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｔｈｅｎ ｔｈｅ
对于悬架系统，采用额定载荷作用下的单轮跳动 进行仿真。采用Ｂ级路面谱模拟路面状态如图４所 示，用Ｃ语言编辑路面谱，将．ｔｘｔ的程序文件读人
ＡＤＡＭＳ。 ．
图４ Ｂ级路面谱
图２多体有限元疲劳分析流程图
利用三维造型软件ＵＧ和机械系统动力学仿真 软件ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ，按照ＡＤＡＭＳ建模的要求建立该 型轿车悬架的虚拟模型。如图３所示。
ａｎｄ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ａ珊ａｒｃ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ｓ—Ｎ ｆａｔｉｇｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
１前言 车辆在行驶中零部件受到各种交变载荷，这种交
变载荷一般低于拉伸强度极限，在此载荷反复作用下 会发生裂纹萌生和扩展并导致突然断裂，这种现象称 为疲劳破坏。在技术改进和研究开发中，了解这种破 坏形式对车辆零部件的强度影响具有重要意义。因 此在汽车的研制过程中，需对零部件进行大量的台架 试验和整车耐久性试验，不仅试验费用高、周期长，且 问题大多出现在产品设计完成之后，对设计更改带来 一定难度。通过有限元疲劳分析，可以在产品设计初 期对整车的耐久性进行预测，找到结构的薄弱环节。 提出合理改进方案，还可大幅降低或最终取代部分疲 劳试验¨．２ Ｊ。笔者将结合工程实例。对各种疲劳分析 方法对汽车构件的分析及适用范围进行评述。 ２有限元疲劳分析方法
图３悬架系统的动力学仿真模型
根据目标悬架中零部件间的相对运动关系，定义 零部件的拓扑结构，对零部件重新组合，将没有相对 运动关系的零部件组合为一体，确定重新组合后零件 间的连接关系和连接点的位置，计算或测量重新组合 后的零部件质心位置、质量和转动惯量，确定减振器 的阻尼特性和弹簧的刚度特性，定义主销轴线，输人 车轮的前束角和外倾角。不允许过约束的运动，橡胶 轴承和弹簧属于柔性连接，它们在发生运动干涉的部 件之间产生阻力，阻止迸一步的干涉发生。假定各 铰链处的橡胶轴承在各个方向上的刚度相等，则在相 应的位置施加轴套力。 ５．１仿真结果
Ｈｕａｎｇ Ｍｉｎ—ｆｅｎ９１．Ｊｉａｎｇ Ｙｉｎｇ—ｃｈｕｎ２
（１．盹似ａｄｅ Ｃｏ．．删，Ｈｅｆｅｉ Ａｎｌｕｄ ２３０（｝０９．Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｅｆｉｉ ｕｎｉｖｅｒｓｌｔｙ ｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｈｅｆｅｉ Ａｎｈｕｉ ２３０００９．Ｃｈｉｎａ）
ｔｈｅ侧ｃ ｉＢ∞ ｍｅｔｈｏｄ眦ｉｎｔｒｏ－ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｔａｔｉｃ ｓｔａｔｅ ｆａｔｉｇｕｅ ａｎｄ Ｓ—Ｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｆｏｒｅｃａｓｔ
合方程为：
ｌｇＮ＝口＋ｂｌｇｒ。
ｉ
，
１
Ｊ
其中：６＝∑￡ｌ眄Ｌ１ｌ—叱一—寺—（二∑ｌ—ｇｃ鼍ｒｊ．—）＿（∑—ｌ上啪Ｌ）
善（１眄）２一手（∑ｌｇｏ））
，一１
Ｊ。１
．
１
ｌ
１
口＝÷∑（１叱）一手∑ｌｇ听
式中：盯，为第，级应力水平的应力值；ｌｇＪ￣！『为口，下的 对数平均寿命；２为应力水平级数。
在ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ软件中，可以通过输入材料的基
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基于有限元法的汽车构件疲劳寿命分析
黄民锋１，江迎春２
（１．合肥车桥有限公司，安徽合肥２３０００９；２．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９）
摘要：对汽车构件结构疲劳分析和寿命预测方法即静态疲劳分析方法和总寿命ｓ一Ⅳ预测方法进行了介绍。针对 某种型号轿车的悬架，应用多体动力学软件ＡＤＡＭＳ构建了悬架的虚拟样机，进行了动力学仿真分析。并应
该下控制臂所用的材料弹性模量Ｅ＝２００ＧＰａ；｛ｒｆｌ 松比ｔＩ＝ｏ．３；定义其为各向同性结构材料。对其进 行一般工况的应力计算。有限元计算后应力云图如 图７所示。
、～ －、、Ｉ １１、 、－‘ 、、‘
图８材料的５一Ｊ『、ｒ曲线
６疲劳计算 在ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ环境中输人ＡＤＡＭＳ载荷信息，
从而对模型进行疲劳计算，在ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ中选用简 化的弹塑性假设和Ｍｉｎｅｒ累积疲劳求和法则，利用 ＮＡＳＴＰＪＬＮ计算的应力结果和ＡＤＡＭＳ载荷时间历程 确定模型疲劳寿命。选择Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力作为分析 的应力值输入。选择１０Ｅ６作为设计寿命。
（４）全理论分析方法无需试验，仅通过多体动 力学或虚拟实验场（ＶＰＧ）仿真技术获取悬架和其它 位置的路面载荷时间历程。
本文实例是建立多体动力学仿真模型获取构件
圈 需要部位的载荷时间历程。
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亟匾Ｈ藉篙凄董籍
图１定义名义应力法流程
５工程分析实例 采用通过多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ，直接从
图７下控制臂应力云图
下控制臂最大应力值为１５５ＭＰａ，材料的屈服应 力值为５４０ＭＰａ。因此，静力学计算出的结果相对材 料破坏值是远小于屈服值的，不会使部件发生破坏。 下面对下控制臂进行疲劳校核计算。 ５．４部件材料的Ｓ一Ⅳ曲线的获得
万方数据
图９下控制臂的安全因子云图 ·５９·
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系统载荷谱求得结构的动力响应时间历程，采用有限 元法计算出关键结构部件上各关键危险部位的应力， 最后结合材料的基本疲劳性能数据进行结构寿命估 算【５】。系统载荷可以是实际的载荷、位移和加速度 等。多体动力学分析的结果是部件的载荷历程，可加 快结构的疲劳寿命分析，比如对于载荷历程中结构的 无损伤部分就可忽略。多体有限元疲劳分析流程如 图２所示。
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第２ｌ卷第２期 ２００８年４月
在ＭＳＣ．Ｆａｔｉｇｕｅ软件中计算得到对应的安全因 子云图和疲劳寿命对数云图如图９、１０所示。表１为 危险区疲劳损伤值最大节点的疲劳寿命、对数疲劳寿 命、疲劳损伤和安全系数值。
图１０下控制臂对数疲劳寿命云图 表ｌ下控制臂危险区节点的疲劳分析结果
依据载荷类型的不同，有限元疲劳分析方法包括 静态（或准静态）疲劳分析方法、瞬态疲劳分析方法 和振动疲劳分析方法。不同方法有不同的计算效率 和适用范围，对给定问题应根据结构所受载荷及其动 态特性不同，判断并选择正确的疲劳分析方法。如果 结构的一阶固有频率大于３倍载荷频率，可采用静态 （或者准静态）疲劳分析方法；如果结构的固有频率 与载荷的频率接近需采用动态疲劳分析方法。而对 于在随机载荷作用下的零件进行疲劳分析要采用瞬
采用有限元疲劳分析方法。很重要的步骤是获得 用于疲劳分析的路面载荷时间历程。该数据可用以 下任何一种方法获得¨Ｊ：
（１）试验法在路面耐久性试验时测量某固定 位置的载荷。
（２）直接来自路面载荷数据库或经验数据库
收稿日期：２００７—１２—１４ 作者简介：黄民锋（１９７６一），男，安徽安庆人．工程师，研究方向：轿车悬架设计开发。
本文给出了结构疲劳分析和寿命预测的一些基 本方法，并根据对某轿车下控制臂疲劳分析实例，对 其进行强度分析，确定了下控制臂的薄弱环节。并在 悬架的动力学仿真分析的基础上，进一步利用ＭＳＣ． Ｆａｔｉｇｕｅ软件对其作了疲劳寿命模拟计算。进行以上 分析可以得出结论：在对构件的设计中仅考虑静强度 或常规的方法不能满足零件的强度和寿命要求，进行 抗疲劳计算是必要的。‘
本参数和特性指标得出Ｓ—Ｎ曲线。如图８所示。
一１６ｈ
争＿Ｈ Ｄａｔａ ＰＩｏｔ
ＳＲ¨：２８３５ ｂｌ：一０”ｂ２：０ Ｅ：２ＥＳ ＵＴＢ：６４Ｓ
图６下控制臂有限元模型
针对水平路面的情况，仅模拟了垂直跳动的工 况。该模型采用下列约束条件：①在与车身连接的 孔和销约束３个方向的移动自由度；②在与悬架的 转向节的配合孔面上约束ｙ方向的位移。 ５．３强度计算及结果分析