基于焊缝疲劳寿命预测的后桥设计改进

基 于 焊 缝 疲 劳 寿 命 预 测 的后 桥 设 计 改 进
陈 碌 胡 单妮 刘拥 军 寇 宏 滨 赵 永 昌 （ 泛亚汽车技术中心有限公司， 上海 ２１０） ０２１
【 摘要 】 运用焊缝疲劳寿 命预测技术对某扭杆梁后桥进行疲劳失效重现， 并提出了改进方案。 通过物
理 台架和整车道路试验 ， 建立 了仿真分析 一台架 一道路 ３者之间的相关性 ， 缩减 了产 品开发周期 ， 降低 了开发 成
２ 后桥疲 劳破坏 情况简介
某 车 型扭 杆 梁式 后 桥 在整 车 道路 试 验 时 发生
２ ・ ８
等 因素 ， 需要 对后 桥 的结 构 进 行 改进 ， 其 寿命 为 使 目前 的 １ 以上 。 倍
上海汽车 ２ １ ．９ ０ １０
・
（ ） 疲劳 分析 软 件 Ｆ ．ａ ｇ ｅ中 ， ４在 ＥＦｔｕ ｉ 通过 线 性
ｔ ｕ ｉ ｒ ｄ ｃｉ ｎ ｏ ｅ ｍ ｌ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔ ｔ ｏ ｓｃ ｎ ｕ ｔｄ ｉ ｅ ｌ ｅ ｐ ｅ ｉｔ ｆ ａ ｗｅｄ， ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｈ ｄ ｉ ｏ ｄ ｃ ｅ ．Ｔ ｅ ｃ ｒｅａ ｉｎ ａ ｎ ｉ — ｇ ｆ ｏ ｓ ｍｅ ｈ ｏ ｒ ｌ ｔ ｍｏ ｇ ｓｍｕ ｏ
应力 历 程计 算弯 曲 率 ， 确定 Ｓ Ｎ 曲线 ， 对 焊 趾点 ／ 再
图 ５ 某 车型后桥纵臂开裂位置示意 图
上表面的应力历程进 行雨流统计 和损 伤累计 ， 最 终得出焊缝 的疲劳寿命 。
在试 验过 程 中 ， 桥 纵 臂 发生 此 种 失 效 ， 整 后 给 车带来 严 重 的 安 全 隐 患 ， 此 要 对 该 处 进 行 设 计 因 改进 和 优化 。鉴 于发 生 失效 时 的试 验 里 程百 分 比
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图 ２ 焊 缝 建 模 方 法
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１ Ｅ４
一
能用钣 金 件 的疲 劳分析 方 法替代 。
有 资料 ¨ 显 示 ： 缝 的最 大 应 力 一 般 出 现 在 焊 焊 趾 附近 ， 图 １ 见 。基 于 上述发 现 提 出 的焊缝 疲 劳
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本 ， 高了产品质量。 提
【 ｂｔ ｃ】 Ｔ ｅ ｒｃｓ ｏ ｔｉ ｅｍ ｆｉ ｅ ａｕｅ ｅｒ ｕｔｎｉｐｅ ｎ ｄｂｓ ｅ ａ Ａ ｓ ａｔ ｈ ｏｅｓ ｆｗｓｂａ ｔ ｕ ｉ ｒ ｒ ｏ ｃ ｏ ｒ ｅｔ ａ ｄｏ ｔ ． ｒ ｐ ｔ ａｇ ｆｌ ｐ ｄ ｉ ｓ ｓ ｅ ｅ ｎ ｈ ｆ
的单 元 均应 为 ４节 点 壳 单 元 ， 能 有 三 角 形 单 元 不 出现 （ 图 ２ 。焊缝 疲 劳 分析 中的 Ｓ Ｎ 曲线 由软 如 ） ／ 件根 据 焊趾 点处 的 弯 曲率 对 两条 已知 Ｓ Ｎ 曲线 自 ／ 动插 值 得到 （ 图 ３ 。焊缝 疲 劳 分 析 流 程 图见 图 如 ） ４， 分 别计 算 焊 趾 点 上 下 表 面 的应 力 历 程 ， 据 先 根
３ 后桥 的 失 效 重现
为 了有效 实 施 验 证 设 计 ， 先确 定 导 致 失效 首
的最 主要 因素 ， 在 此 主 要 因素 的作 用 下 重 现 失 并
效模 式 。
迭加 的方 法 ， 算后 桥 焊缝 在纵 向力 、 转状 态 下 计 扭 的疲 劳 寿命 。 分 析 结果显 示 ， 转工 况 下 ， 裂 位置 附近 未 扭 开 出现较 低 的寿命 ； 在 纵 向力 作 用 下 ， 桥上 的最 但 后 低 寿命 与道 路试 验 破坏位 置一 致 ， 图 ８ 见 。由此 可
本 文采 用 的 焊 缝 疲 劳 分 析 方 法 基 于 Ｓ Ｎ 方 ／
疲 劳破 坏 ， 纹起 始 于 纵 臂 与 中心 扭 杆 梁 之 间 的 裂 加 强板 的焊 缝 收弧 处 ， 沿 着 纵 臂 的 圆 周 方 向扩 并
展 ， 图 ５ 见 。
法 ， Ｃ ａ ｅ 大学和沃尔 沃汽车公 司合作开发 由 ｈｌ ｒ ｍ ｓ
设计 的重 要 环 节之 一 。
从 验 证 角 度 而 言 ， 括 ３个 阶段 ： 轴 向 零 包 单 部 件 级 试 验 、 轴 向 系 统 级 试 验 以 及 整 车 道 路 多
试 验 。由于扭 杆 梁式 后桥 的复 杂性 ， 轴 向试 单
验 较 难 准 确 地 反 映 出 设 计 的 不 足 ， 数 依 赖 系 多
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寿命 预测 方法 很 多 ， 括通 过 Ｓ Ｎ方 法 ， 包 ／ 先计 算 焊
趾 附 近局 部应 力 历 程 ， 后 代 入 Ｓ Ｎ 曲 线 中预 测 然 ／
１ １ Ｅ １ Ｅｇ １ Ｅ６ １ Ｅ８ ｌ ９ ｌ ０ Ｅ３ １ Ｅ５ １ Ｅ７ １ Ｅ Ｅｌ
完成 ， 目前 已集 成 在 疲 劳 分 析 软 件 Ｄ ｓ ｎｌｅ ｅｉ ｉ ｇ ｆ
中 ， 一 种 较 为 成 熟 的焊 缝 疲 劳 寿 命 预 测 方 法 。 是 该方 法 对有 限元 中 的 焊 缝 建 模 有 明确 要 求 ， 定 规
采用 ４节 点 壳 单 元 模 拟 焊 缝 ， 缝 单 元 与 钣 金 成 焊 ４ 。 。焊缝 单 元 的节 点 应 落在 焊 趾 处 ， ５角 焊缝 周 围
成本 ， 短周期 。 缩
本 文 针 对 后素 的影 响 ， 影 响 区材 料 的 疲 劳 强 度 将 热 会 低 于 母 材 本 身 。据 统 计 ， 车 零 部 件 结 构 失 汽
板 处 的疲 劳失 效 问 题 ， 合 Ｆ Ａ分 析 ， 加 强 板 结 Ｅ 对 进 行 了结构 优 化 ， 就焊 缝 疲 劳 寿 命 预 测 在 汽 车 后
引起失效的主要 因素 ， 分别进行 了纵 向力与扭转 两种受力工况下的仿真分析 ， 具体过程如下 ：
（） １ 通过 有 限元 前 处 理 软件 Ｈ ｐｒＭｅｈ划 分 ｙｅ ｓ
网格 。按照 板壳 理论 ， 抽取 中面 ， 用 ｓｅ 单 元划 采 ｈｌ ｌ 分 网格 ， 焊缝 采用 四边形单 元 。
４ １ 优化 加 强板对 后桥 疲 劳寿命 的虚 拟分 析 ． 根据 Ｆ Ａ的分 析 结 果 ， 现 靠 近 加 强 板 端 部 Ｅ 发 的纵臂 处应 力很 高 ， 超过 了材 料 的许用应 力 。
故针对 此 现象 ， 开 了纵 臂 、 强 板 的设 计 结 展 加
面 的 纵 向 、 向与 垂 向 载 荷 。与 车 辆 安 全 性 能 和 侧 操 控性 能 息 息 相关 ， 同时 与 悬 架 减 震 系 统 一 起 提 供 整 车隔 振 性 能 ， 设 计 开 发 中 要 求 强 度 高 、 在 可
以及 焊缝 疲 劳 寿 命 的 有 效 计 算 成 为 后 桥 耐 久 性
统 多 轴 和 整 车 道 路 耐久 试 验 。但 过 长 的 试 验 周 期 和庞大 的试验 费用 又会 制 约开 发 的进 程 ， 所
靠 性好 。 目前 主 流 的扭 杆 梁 式 后 桥 主 要 由 中 心 扭杆 梁 、 臂 、 旋 弹 簧座 、 震 器 支 架 及 一 些 加 纵 螺 减 强件 所 构 成 ； 当然 ， 户 可 以 根 据 扭 转 刚 度 的 需 用 求决 定 是 否 选 用 扭 力 杆 。所 有 提 及 的 这 些 零 部
疲 劳 寿命 ； 采用 Ｅ Ｎ方法 ， 算焊 趾 附近局 部 或 ／ 计
疲 劳寿 命 （ ） 次
应 变历 程 ， 然后 代 人 Ｅ Ｎ曲线 中预测 疲劳 寿命 Ｊ ／ 。
图 ３ 焊 缝 的 Ｓ Ｎ 曲 线 ／
力
图 １ 焊缝 周围应力分布梯度
图 ４ 焊 缝 疲 劳 分 析 流 程 图
【 关键词】 后桥
汽车
焊缝
有限元法
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ －５ ４ ２ １ ．９ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ７４ ５ ．０ １ ０ ． ６ ｓ 完 好 。 所 以 ， 缝 参 数 的 设 定 、 接 件 形 状 优 化 焊 焊
０ 引言
扭杆梁式半 独立后 桥 ， 其 结构 简单 、 因 占用 空 间 小 、 本 低廉 而广 泛 运 用 于 中低 端 车 型 。其 成 主 要 功 能是 连 接 车轮 与车 身 ， 受 和 传 递 来 自路 承
见， 引起 加 强板 处 纵 臂 开 裂 的主 要 因 素 为轮 心纵 向力 ， 这为 接 下来 的 改 进 设 计 以及 验 证 方 案 指 明
了方 向。
对 于 此扭 杆 梁 式 后 桥 ， 车 辆 使 用 过 程 中承 在
受 的主要 载荷 包括 轮 胎传 来 的纵 向力 、 向力 、 侧 垂 向力 ， 弹簧 座 上 的弹 簧 力 以 及 减 震 器 支 架 上 所 承
ｗｈ ｃ ａ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐｍｅ ｔｃ ｃｅ，ｓ ｖ ｈ ｖ ｌ ｐ ｎ ｏ ｔａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｈ ｒｄｕ ｔｑ ａ ｉ ｉ ｈ ｃ ｎ ｒ ｄ ｃ ｈ ｅ ｅ ｏ ｎ ｙ ｌ ａ ｅ ｔ ｅ ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔｃ ｓ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｃ ｕ ｌ ｙ． ｔ
ｌｔ ｎ ｂ ｎ ｈ ｔｓ ａ ｄ ｒａ ｅ ｔｉ ｂ ｉ ｐ ｔｒｕ ｈ ｔｅｖ ｌ ａｉｎ ｏ ｅ ｃ ｅｔａ ｄ ｖ ｈｃｅ ｒａ ｅｔ ａｉ ／ ｅ ｃ ｅ ｔ ｎ ｏ ｄ ｔｓ ｓ ｕｈ ｕ ｈ ｏ ｇ ｈ ａｉ ｔ ｆｂ ｎ ｈ ｔｓ ｎ ｅ ｉｌ ｏ ｄ ｔｓ ， ｏ ｄ ｏ
受 的阻尼 力 。 综 合 考虑 此 处 的 结 构 形 式 ， 生 失 效 的裂 纹 发 状态 ， 以及 纵 臂 本 身 作 为后 悬 架 的 导 向机 构 所 承 受 的主要 载 荷 』 初 步 认 为此 处 疲 劳 破 坏 主 要 与 ，
后 桥承 受 的纵 向力 以 及 扭 转 载 荷 有 关 ， 了找 出 为
图 ８ 纵 向力工况下 寿命 云图