由于不便于直接测量衬套应变袁 为验证有限元 计算应变的准确性袁 间接通过计算的副车架衬套的 三向力-位移曲线与实测力-位移曲线进行对比袁若 实测值与计算值误差在 10 %以内袁则表明应变计算 误差小于 10 %袁即可用于疲劳寿命分析遥 图 4 为该 副车架衬套的三向力-位移曲线计算值与实测值对 比结果遥 由图 4 可看出袁X 向与 Y 向实测值与计算 值误差在 5 %以内袁 而 Z 向曲线在压缩行程中由于 橡胶主簧产生一定褶皱袁其误差为 9.5 %袁即此副车 架衬套三向力-位移曲线测试值与计算值总体误差 小于 10 %袁认为通过有限元计算的应变可用于疲劳 寿命评价遥 图 5 即为该副车架衬套在一定加载位移下 的应变云图袁 通过应变云图可找出潜在失效位置的最 大应变袁其位置一般出现在主簧根部等薄弱区域遥
为得到橡胶材料的应变与寿命关系袁 利用图 6 所示的设备进行单轴拉伸疲劳试验袁 以获取不同工 程应变水平下的橡胶试片的疲劳寿命数据袁 再经拟 合得到最大主应变与试片寿命数据的函数关系遥 拟 合的应变要寿命曲线见图 7遥
试片
图 6 橡胶材料试片疲劳寿命试验设备
要 58 要
1.8
0.8
-0.2
104
105
渊c冤Z 向 副车架衬套三向力-位移曲线计算值与测试值对比
应变
+1.264伊100 +7.000伊10-1 +6.417伊10-1 +5.833伊10-1 +5.250伊10-1 +4.667伊10-1 +4.083伊10-1 +3.500伊10-1 +2.917伊10-1 +2.333伊10-1 +1.750伊10-1 +1.167伊10-1 +5.834伊10-2 +1.997伊10-6
通过雨流计数可得到道路行驶载荷谱载荷的雨 流载荷矩阵袁此矩阵包括幅值渊Range冤尧均值渊Mean冤 与循环次数渊Cycle冤袁如图 3 所示遥 其中每个 Block 载荷包含多个 Cycle曰 Block 载荷的大小由 Mean 值和 Range 值共同确定袁 在一定范围内动态变化遥 由此可知袁Block 载荷是一个范围值袁为便于后期橡 胶件有限元分析袁需要将此载荷范围值转换为定值袁 即将载荷 Mean 值转换为 Range 值袁 此方法类似金 属疲劳中的 Goodman 平均应力修正遥 根据实际工 程经验袁该衬套的转换公式为院修正的 Range 值=原
运藻赠 憎燥则凿泽院Subframe lining袁 Road drive load spectrum袁 Reduction袁 Durability
1 前言
汽车底盘零件的耐久性试验一般包括定幅值耐 久试验尧变载荷序列渊下称 Block 载荷冤耐久试验尧道 路行驶载荷谱疲劳模拟试验和实际道路试验等 4 种遥 其中道路行驶载荷谱疲劳模拟试验和实际道路 试验由于试验周期长尧成本高袁一般不适用于零件的 前期开发曰 定幅值耐久试验未考虑对零件在不同载 荷下的疲劳性能袁 不能真实反映零件在实际道路试 验中的受载情况曰 而基于道路行驶载荷谱的 Block 耐久试验则将实际道路行驶载荷谱合理转换为变载 荷序列袁因而具有试验精度高尧试验周期短等优点遥
106
107
寿命
图 7 橡胶材料典型应变-寿命曲线
拟合方程为院
Y =A窑XB
渊1冤
式中, Y 为疲劳评价参数袁 即最大主应变曰X 为疲
劳寿命曰A 尧B 为疲劳参数遥
疲劳参数 A 尧B 的拟合效果通过相关系数 R2 来
评估袁若 R2跃0.9 则认为具有较好的拟合度袁即 A 尧B
可用于疲劳寿命预测遥 本文所研究橡胶试片的疲劳
变矩阵曰
c. 通过橡胶材料的应变要寿命曲线袁将应变矩
阵转换为单个循环加载下的损伤矩阵曰
d. 将单个加载循环下的损伤矩阵乘以道路行
驶载荷谱矩阵中的总循环次数袁 得到全部道路行驶
载荷谱下的总损伤矩阵遥
3.6 橡胶件道路行驶载荷谱三向相位关系确定
在正常使用工况下袁 实际底盘橡胶件同时承受
X尧Y 尧Z 3 个平动方向的载荷渊特殊零件可能还需要
损伤矩阵
有
无
判断是否有相位联系
按照相关工况循环次数创 建有相位关系道路行驶载 荷谱的损伤矩阵
按照相关工况循环次数创 建没有相位关系道路行驶 载荷谱的损伤矩阵
通过损伤等效的方法 编辑 Block 矩阵
通过损伤等效的方法 编辑 Block 矩阵
编辑后的 Block 渊多轴及单轴冤
合并 Block 矩阵 渊多轴及单轴冤
10
测试
计算
5
0
-5
-10 -6 -4 -2 0 2 4 6 加载位移/mm
渊a冤X 向
要 57 要
窑试验测试窑
10
测试
计算
5
0
-5
图4
-10 -6 -4 -2 0 2 4 6 加载位移/mm
渊b冤Y 向
10
测试
5
计算
0
-5 -10
-15 -2-010 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6
加载位移/mm
底盘橡胶减振件的材料与结构属于非线性袁目 前国内外对底盘金属件的耐久试验研究较多[1~3]袁但 对橡胶件的道路行驶载荷谱耐久缩减研究未见公开 报道遥 为此袁 提出一种将道路行驶载荷谱缩减为载 荷序列的方法袁并以某汽车副车架衬套为试验对象袁 应用该方法在 MTS833 试验台架上采用缩减的单轴 或多轴疲劳载荷序列对其进行耐久性试验袁 并验证 了该方法的有效性遥
周期遥连续时间历程的载荷谱通过损伤等效的方
式转化为 Block 载荷序列的缩减方法流程如图 2
所示遥
道路行驶载荷
雨流统计 渊载荷冤
雨流矩阵渊载荷冤
载荷转化 为位移
雨流矩阵渊位移冤
绘制 X/Y/Z 通道道路行驶 载荷谱载荷分布图袁 查找
X/Y/Z 通道相位关联性
零件 FEA 分析 应变寿命曲线
创建损伤矩阵及计 算单个寿命下的累 积损伤
副车架衬套的静态特性有限元分析过程为院首 先根据单轴拉伸尧 双等轴拉伸和平面拉伸获得橡胶 材料在不同应变下的应力-应变曲线袁 选取合适的 橡胶材料超弹性本构模型拟合得到模型参数曰 然后 在软件 ABAQUS 中对衬套主簧区域进行网格划分袁 赋予橡胶材料属性袁施加一定位移袁获得潜在疲劳失 效区域的位移-应变曲线[4]遥
参数 A 尧B 的拟合相关系数 R2=0.916袁所以疲劳参数
A 尧B 可用于橡胶疲劳分析遥
3.5 创建损伤矩阵
根据前述分析袁橡胶件的损伤矩阵创建步骤如下院
a. 首先对橡胶件进行 FEA 分析袁得到加载点
与零件应变集中区域的位移-应变曲线袁并利用3 次
多项式公式进行拟合曰
b. 通过 3 次多项式公式将位移矩阵转换为应
应பைடு நூலகம்=0.63
图 5 某工况下副车架衬套应变云图
3.4 橡胶材料应变要寿命曲线获取 目前袁 国内外对橡胶疲劳寿命的研究主要有 2
种方法[6]袁一是裂纹成核法袁即基于连续体力学理论 在给定某些量渊如应变和应力冤的时间历程下袁预测 裂纹晶核形成的寿命;二是裂纹扩展法袁即基于断裂 力学在给定特定裂纹的初始几何形状和能量释放率 历程的条件下袁 预测特定裂纹的扩展遥 裂纹成核方 法认为某一点应力或应变历程能决定材料的固有寿 命袁 为此采用裂纹成核法获取橡胶材料在不同应变 水平下的疲劳寿命袁即所谓的应变-寿命法遥
Range 值+2/3渣Mean 值渣遥
圆园13 年 第 9 期
600 500 400 300 200 100
0 50
载荷幅值/N
-5 875 4 950 3 875
图 3 道路行驶载荷谱载荷总雨流统计直方图
3.2 载荷转化为橡胶件位移 在副车架衬套设计阶段对其静态特性有明确要
求袁通过 X尧Y 尧Z 三向非线性力-位移曲线体现遥根据 转换得到的载荷矩阵中修正后的载荷 Range 值袁以 及有限元计算得到的橡胶件的力-位移曲线袁通过插 值得到橡胶件在不同力值下的位移遥 3.3 橡胶件应变计算
考虑扭转载荷冤袁该研究中的 Z 向为整车垂直方向袁
X 向为整车纵向袁Y 向为整车侧向袁三方向符合右手
定则袁 因此需要考虑道路行驶载荷谱中不同通道间
的载荷耦合情况遥
在考虑多通道载荷耦合情况时袁 由于道路行驶
载荷谱载荷信号具有明显的非周期性袁 无法采用通
常的相关函数来判断 3 个轴向载荷信号的相关性袁
因此袁应用线性回归方法袁通过计算各通道间的相关
要 56 要
2 道路行驶载荷谱采集
利用 eDAQ ECPU-PLUS 型数据采集系统袁在标 准汽车试验场采集底盘零部件在 35 种不同工况下 的道路行驶载荷谱遥 试验用汽车副车架衬套连接方 式如图 1 所示遥 由于该副车架衬套附近空间狭小袁 若直接通过应变片或力传感器采集非常困难袁为此袁 通过采集轮胎的六分力袁 将真实的轮胎六分力加载 在 MSC.ADAMS 整车模型中袁 计算得到副车架衬套 的载荷谱袁此项工作由整车厂完成遥
编辑后的 Block 渊单轴冤
否
否
满足总循环次数要求钥
是
最终的 Block矩阵
图 2 副车架衬套 Block 耐久试验道路行驶载荷谱缩减流程
3.1 道路载荷谱雨流统计 在试验场采集的道路行驶载荷谱是一种随机载
荷谱袁 而使零件产生疲劳损伤的主要因素是载荷的 峰谷值尧 均值和载荷循环次数遥 所以在对橡胶零件 进行疲劳分析时袁 需要用计数法对随机载荷进行统 计和分析袁 本文采用雨流计数法对橡胶件载荷进行 统计遥
图 1 后副车架连接衬套示意
3 道路行驶载荷谱缩减
对副车架衬套的原始道路行驶载荷谱进行重
汽车技术
窑试验测试窑
采样尧去均值及剪辑等编辑处理后得到衬套的载荷