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穩(wěn)定桿疲勞壽命仿真分析

2019-07-15 23:08:38·  來源：模態(tài)空間  作者：王朋波  
　
1 概述汽車橫向穩(wěn)定桿能夠在汽車產(chǎn)生側(cè)傾時(shí)施加反側(cè)傾力矩，所以它可以增加低速敏捷性，提升高速穩(wěn)定性，減小側(cè)傾角。在車身上下振動(dòng)時(shí)，橫向穩(wěn)定桿不起作用；一
1 概述

汽車橫向穩(wěn)定桿能夠在汽車產(chǎn)生側(cè)傾時(shí)施加反側(cè)傾力矩，所以它可以增加低速敏捷性，提升高速穩(wěn)定性，減小側(cè)傾角。在車身上下振動(dòng)時(shí)，橫向穩(wěn)定桿不起作用；一旦車身發(fā)生傾斜，穩(wěn)定桿立即提供一個(gè)反傾力矩。

穩(wěn)定桿是典型的受交變疲勞載荷的部件，在汽車轉(zhuǎn)彎或顛簸時(shí)，穩(wěn)定桿常會(huì)受到大小不同的扭力作用，隨著受力次數(shù)的增加．穩(wěn)定桿的某些部位會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞。

本文對(duì)穩(wěn)定桿疲勞分析方法作簡短介紹，有限元軟件采用Abaqus，疲勞分析軟件采用Femfat。

2 有限元建模

2.1 穩(wěn)定桿本體建模

為保證精度，穩(wěn)定桿本體不應(yīng)使用四面體單元，應(yīng)采用六面體減縮積分單元(C3D8R)建模,可包含少量三棱柱單元（C3D6）。如果計(jì)算條件允許，可考慮使用二階單元。

由于穩(wěn)定桿的形狀較規(guī)則，為空間曲桿，可先劃分橫截面網(wǎng)格再應(yīng)用網(wǎng)格映射和網(wǎng)格掃略方法得到高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，如圖1。其中端部過渡段采用前處理軟件的網(wǎng)格映射(solid map)功能生成實(shí)體網(wǎng)格，穩(wěn)定桿主體采用掃略（line drag）功能生成實(shí)體網(wǎng)格，如圖2所示。
圖1 穩(wěn)定桿本體網(wǎng)格模型

圖2 采用掃略和映射功能生成實(shí)體網(wǎng)格

2.2 套筒橡膠襯套建模

穩(wěn)定桿與套筒橡膠襯套連接處通常應(yīng)力水平較高，為保證應(yīng)力計(jì)算精度，橡膠襯套不應(yīng)簡化為彈簧單元，而應(yīng)采用六面體單元建模，如圖3。橡膠襯套與穩(wěn)定桿本體通過節(jié)點(diǎn)融合的方式連接。

圖3 橡膠襯套實(shí)體網(wǎng)格

橡膠襯套應(yīng)考慮非線性彈性，如果簡化為線彈性材料，穩(wěn)定桿的受力狀態(tài)會(huì)與實(shí)際有一定偏差，進(jìn)行大變形分析時(shí)，還可能會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格畸變導(dǎo)致無法求解。

橡膠材料的體積幾乎不可壓縮，這就意味著靜水壓力引起的變形接近0，導(dǎo)致純位移形式的單元無法求解，所以橡膠襯套應(yīng)采用雜交單元（C3D8H和C3D6H），雜交單元包含一個(gè)可直接確定單元中應(yīng)力球量的自由度,其節(jié)點(diǎn)位移只用于確定應(yīng)力偏量。

2.3 套筒殼體建模

套筒殼體使用殼單元或者實(shí)體單元建模均可，與套筒內(nèi)的橡膠襯套用節(jié)點(diǎn)融合的方式連接。實(shí)際計(jì)算表明，在有限元模型中刪除套筒殼體，將約束直接加在橡膠襯套單元表面，穩(wěn)定桿本體的應(yīng)力結(jié)果幾乎沒有變化。所以實(shí)際分析時(shí)可以取消套筒殼體建模。

3 材料參數(shù)設(shè)置

穩(wěn)定桿本體設(shè)置為常規(guī)的彈塑性材料即可。因?yàn)榉€(wěn)定桿在工作行程中應(yīng)處于彈性范圍，所以穩(wěn)定桿本體材料也可以只設(shè)置楊氏模量和泊松比，忽略塑性段。

橡膠襯套可能發(fā)生較大的變形，從而表現(xiàn)出高度非線性。因此應(yīng)將橡膠材料定義為超彈性材料。如果有試驗(yàn)測試的材料名義應(yīng)力和名義應(yīng)變曲線，可以利用Abaqus軟件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合功能來確定超彈性材料的常數(shù)，超彈性模型推薦選用Mooney-Rivlin模型，對(duì)于小變形和中等變形情況能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度。

在實(shí)際汽車項(xiàng)目開發(fā)中，很多情況下我們無法獲得橡膠的試驗(yàn)曲線，只知道橡膠材料的初始楊氏模量E，此時(shí)可默認(rèn)橡膠襯套材料完全不可壓縮，用neo-Hookean模型定義橡膠超彈性，本構(gòu)常數(shù)C10設(shè)置為初始楊氏模量的1/6，可壓縮性參數(shù)D1設(shè)為0，如圖4所示。

圖4 neo-Hookean材料參數(shù)設(shè)置

4 有限元靜力分析

穩(wěn)定桿是典型的位移驅(qū)動(dòng)型疲勞，左右端點(diǎn)的垂向位移差使穩(wěn)定桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，反復(fù)的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致疲勞破壞。

進(jìn)行有限元模擬時(shí)，應(yīng)先調(diào)整穩(wěn)定桿模型的方向角度到實(shí)際裝車狀態(tài)；然后將橡膠襯套外周的節(jié)點(diǎn)約束123自由度；最后在穩(wěn)定桿兩端螺栓孔處建立RBE2，兩端RBE2中心分別施加正Z向和負(fù)Z向位移載荷，如圖5。

圖5 靜力分析的約束和載荷

有限元分析共分為3個(gè)step，構(gòu)成一個(gè)完整的加載循環(huán)：

- step1：左端沿Z正向加載行程hu，右端沿Z負(fù)向加載行程hl。

- Step2：右端沿Z負(fù)向加載行程hl，左端沿Z正向加載行程hu

- step3：兩端Z向位移均恢復(fù)為0。

正向行程hu和負(fù)向行程hl的定義方法有多種，后面章節(jié)將會(huì)詳細(xì)討論。

因?yàn)榉€(wěn)定桿發(fā)生較大變形，有限元分析中應(yīng)考慮幾何非線性，每個(gè)Step都激活Nlgeom=Yes選項(xiàng)，

設(shè)置輸出位移和應(yīng)力。求解后可得穩(wěn)定桿本體應(yīng)力分布情況，如圖6，通常襯套附近、拐彎處和端部螺栓孔附近為可能高應(yīng)力區(qū)域。

圖6 穩(wěn)定桿本體應(yīng)力分布云圖

5 疲勞分析

穩(wěn)定桿工作時(shí)材料應(yīng)處于彈性范圍，其疲勞破壞模式為高周疲勞，推薦采用SN方法進(jìn)行疲勞壽命分析。

選擇Femfat軟件的Basic模塊，upper/lower方式，分別指定step1和step2的最后一增量步作為upper和lower應(yīng)力狀態(tài)。也可選擇Femfat的Transmax模塊，順序選定三個(gè)step的所有增量步構(gòu)建應(yīng)力時(shí)間歷程。

在一個(gè)加載循環(huán)中，穩(wěn)定桿各處的應(yīng)力幅值發(fā)生變化，但應(yīng)力主軸方向基本保持不變，屬于比例加載情況，所以傳統(tǒng)的多軸應(yīng)力修正方案如von Mises應(yīng)力、最大主應(yīng)力方法都適用。利用這些多軸應(yīng)力修正方案，將復(fù)雜應(yīng)力轉(zhuǎn)化為等效單軸應(yīng)力，然后就可以采用成熟的單軸疲勞分析方法來計(jì)算損傷和壽命。

此外疲勞軟件還應(yīng)對(duì)材料S-N曲線適當(dāng)修正，以體現(xiàn)相對(duì)應(yīng)力梯度、車輪表面粗糙度和表面加工工藝的影響。

最后可以輸出疲勞壽命分析結(jié)果，得到疲勞壽命分布云圖，如圖7所示。

圖7 穩(wěn)定桿本體的疲勞壽命云圖

6 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

于穩(wěn)定桿的疲勞壽命，國內(nèi)各大車企有多種評(píng)價(jià)方法，對(duì)應(yīng)不同的加載幅度有不同的壽命（循環(huán)次數(shù)）要求，最常見的幾種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。


其中穩(wěn)定桿端部上下極限位置的定義如下：

- 上極限位置為減振器緩沖塊壓縮2/3時(shí)，穩(wěn)定桿端點(diǎn)的上跳位置。

- 下極限位置為減振器處于最大伸長量時(shí)，穩(wěn)定桿端點(diǎn)的下跳位置。

7 穩(wěn)定桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)

穩(wěn)定桿進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)時(shí)，用襯套和套筒托架固定在臺(tái)架上，襯套、套筒托架以及緊固螺栓的狀態(tài)和位置應(yīng)當(dāng)符合實(shí)際裝車情況。

圖8 穩(wěn)定桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)

穩(wěn)定桿的加載方式原則上應(yīng)該符合表1要求，保證與仿真分析一致，如圖8。但是雙側(cè)同時(shí)反向加載需要兩臺(tái)作動(dòng)器，設(shè)備比較復(fù)雜，所以穩(wěn)定桿臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，通常是一端固定，只在另一端加載。單側(cè)加載時(shí)，表1規(guī)定的上行程hu和下行程hl要疊加到加載端，即加載端要按照±(hu+hl)進(jìn)行加載，加載方向應(yīng)垂直于初始狀態(tài)下連接端頭與襯套軸線所構(gòu)成的平面，如圖9。

圖9 穩(wěn)定桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的加載方向

穩(wěn)定桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)通常需要使用10個(gè)樣件，每個(gè)樣件都達(dá)到表1要求可認(rèn)為合格。也可只使用2個(gè)樣件，但兩個(gè)樣件的壽命都達(dá)到表1壽命要求的2.5倍方可認(rèn)為合格。
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