基于虚拟台架试验的后悬架疲劳分析

文章编号：1006-0871(2006)S1-0128-03

计 算 机 辅 助 工 程

COMPUTER AIDED ENGINEERING

Vol. 15 Supp1. Sep. 2006

基于虚拟台架试验的后悬架疲劳分析

于 莉，吴光强

（同济大学 汽车学院，上海 201804）

摘 要：利用有限元方法建立后悬架虚拟台架模型，通过平行轮跳试验对某车型后悬架进行疲劳寿命估计，并讨论疲劳分析的基本方法.

关键词：汽车后悬架；疲劳分析；基于应力的分析方法；有限元中图分类号：U467.497; O241.82 文献标志码：A

Analysis on Fatigue Life of Rear Suspension Based on

Virtual Test Rig

YU Li , WU Guangqiang

(College of Automobile, Tongji Univ., Shanghai 201804, China)

Abstract: A virtual suspension test system is built with the finite element method. A virtual suspension parallel jump test is made to evaluate the fatigue life cycles of the rear suspension. The basic method about the fatigue life design is discussed. element

Key words: automobile; rear suspension; fatigue life analysis; stress-based fatigue analysis; finite

0 引 言

随着汽车工业的发展，在轻量化设计的同时，对汽车的安全性和可靠性要求越来越高，这就需要一种快速的有效疲劳分析和设计方法缩短产品的设计周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力. 由于有限元疲劳计算能够提供零部件表面的疲劳寿命分布图，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命的薄弱位置，通过修改设计可以预先避免不合理的寿命分布.

本文利用有限元方法进行汽车后桥及相关部件的疲劳、耐久性分析和设计，讨论不同的疲劳分析方法及后悬架在垂直载荷作用下的疲劳特性.

1 疲劳分析方法的基本概念

时至今日，在疲劳设计方面已经提出4种疲

CAwMwEwO.c凯am模eoCA.oE案rg.c例库n计.

1.1 名义应力法

劳设计方法，他们是名义应力疲劳设计法、局部应力应变分析法、损伤容限设计和疲劳可靠性设

名义应力疲劳设计法是以名义应力为基本设

计参数、以S-N曲线为主要设计依据的疲劳设计方法. 名义应力法估算机件寿命建立在下述假设基础之上，即材料和机件是理想的连续体，且承受的载荷不大，断面应力小于材料的屈服极限，应力应变成线性关系，应力循环作用下的寿命很长，属高周疲劳. 因此，寿命估算的依据是应力谱，材料的抗力指标是S-N曲线或P-S-N曲线，在很多情况下采用线性累计损伤理论，或者采用修正的线性累计损伤理论及其派生出来的寿命估算式. 由于汽车上的部件大部分都属于高周疲劳，所以本文后悬架疲劳分析采用名义应力法.

在详细讨论名义应力法之前，很有必要研究

增刊 于 莉，等：基于虚拟台架试验的后悬架疲劳分析 129 导致疲劳的循环应力的类型. 其中包括完全对称的正弦型恒幅应力循环、波动应力循环和复杂的随机载荷. 正弦型恒幅应力循环在没有过载且以恒速运转的旋转轴中最常见，随机载荷在实际结构中更具有代表性. 由此可见，应力循环的性质是由循环应力的平均应力σm和交变的应力幅

胎半径及轮胎刚度等参数. 对后悬架进行平行轮跳仿真，轮跳范围从－75 mm~75 mm.

σa所决定的.

一般基于名义应力法的S-N曲线y轴表示应力幅值或应力范围，x轴表示失效时的反向循环数或失效时的循环数. 典型的S-N曲线如下：

Sa=S'f(2Nf)b (1)

S'f是疲劳强度系数. 其中b是疲劳强度指数，

图 1 后悬架台架模型

这是基于应力方法的对数S-N曲线应用的比较广泛的一个公式（也称为Basquin关系）. 1.2 考虑平均应力的疲劳分析方法

3 疲劳寿命及损伤

疲劳分析中采用的悬架材料是SAE-1008-91

根据循环应力的观点，疲劳损伤不仅与应力在高周疲劳区域，平均应力对部件的疲劳特性有有较大影响. 微裂纹的张开会加速裂纹扩展的速

幅或应力范围有很大联系，还受平均应力的影响. 较大影响. 标准平均应力对微裂纹的张开和闭合度，闭合会延迟裂纹的扩展. 拉伸的平均应力对疲劳强度不利，而压缩的平均应力对疲劳强度有利. 剪切平均应力不影响裂纹的张开和闭合状

态，对裂纹扩展的影响很小. 在低周疲劳部分，平均应力对疲劳强度的影响也很小，材料大量的响.

CAwMwEwO.c凯am模eoCA.oE案rg.c例库n-HR，材料的基本参数如表1所示，对于名义应力法，S-N曲线的1000次循环以前的部分是用虚线表示的，因为这部分属于低周疲劳，塑性影响较大，而名义应力法通常不考虑塑性的影响. 图中的S-N曲线是在应力比（最小应力与最大应力之比）为-1的情况下得到的，纵坐标为应力范围，实际上为最大应力的两倍，S-N曲线如图2所示.

表 1 材料的疲劳参数

SAE1008

UTS 363 SRI1: Stress Range Intercept (MPA) B1: First fatigue strength exponent

2290 -0.18

塑性变形消除了平均应力任何有利或不利的影

早期的经验模型由GERBER(1874)，-RG (1930)提出，用来消除拉伸平均应力对高周方法，所以仅对这种方法做简要介绍.

Goodman的平均应力修正的数学表达式为

SaSm

+=1 SeSu

GOODMAN(1899)，HAIGH (1917)和SODERBE 疲劳强度的影响. 本文中用到的是Goodman修正

其中Se为与应力幅为Sa、平均应力为Sm的载荷工况等效的对称等幅循环载荷疲劳极限. 这样就可以等效成没有平均应力的情况，再进行损伤估计.

图 2 后悬架材料的S-N曲线

3.1 材料性质

这样我们就可以根据S-N曲线的经验公式及悬架的应力值估算后悬架的疲劳寿命. 3.2 后悬架的疲劳分析

疲劳分析采用Signed von-mises应力，平均

2 台架试验建模及仿真

在Adams中根据后悬架的模态中性文件，建立台架试验模型（见图1），根据整车参数调整轮

130 计 算 机 辅 助 工 程 2006年 应力修正方法用Goodman方法，得到的疲劳损伤及寿命云图如图3及图4所示.

应力历程只经历了一个波峰及波谷值.

图 3 后悬架损伤云图

图 5 某疲劳损伤点的应力历程

下面我们利用Goodman平均应力修正公式估算当量应力幅：

SaSm193.5524.55

+=+=1 SeSuSe363

图 4 后悬架寿命云图

从图中可以看到，平行轮跳对悬架的扭杆外部的壳体寿命影响较大.

取寿命最低的一点，通过Fatigue软件可以计算出该点的应力幅为193.53 MPa，平均应力为24.55 MPa. 图5为该点的应力历程. 从图5中可

以看到，在悬架两侧轮胎平行跳动时，该点的参考文献：

[1] 石来德. 机械的有限寿命设计和试验[M]. 上海：同济大学出版社, 1990. [2] 赵少汴，王忠保. 疲劳设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1992. [4] MSC.Fatigue Manual[K].

[3] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M]. 北京：国防工业出版社, 2003. [5] MSC.Nastran Manual[K].

CAwMwEwO.c凯am模eoCA.oE案rg.c例库n

计算得到当量应力幅Se=207.59 MPa. 再由

b

S-N曲线的近似表达式Sa=S'f(2Nf)以及材料的基

Sa=Se=1145(Nf)−0.18=207.59

Nf=13182.4

本参数，可以估算出：

实际由MSC Fatigue计算得到的寿命为

15 756个循环，估算与软件计算出的误差为0.16. 但对于悬架这样的复杂结构来说，各点的载荷状况是复杂的，需要进一步更深入研究.

（编辑 吴彦生）