FE-SAFE在某车架垂直弯曲疲劳分析中的应用

1 前言
产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。随着市场竞争的日趋激烈，产品的寿命对用户来说显得愈来愈重要。与传统的静强度设计方法相比，疲劳寿命设计需要了解产品的使用环境，应用现代疲劳理论，并结合试验验证，以确保所需要的设计寿命。
目前，在产品设计中已大量使用计算机仿真技术，其中的有限元法已经成为一种不可缺少的分析工具。根据有限元获得的应力应变结果进行进一步的疲劳寿命设计已经在一些重要的工业领域（如汽车、航空航天和机器制造等）得到广泛应用。与基于试验的传统方法相比，有限元疲劳仿真能够提供零部件表面的疲劳寿命分布，可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置，通过修改设计可以预先避免不合理的寿命分布。因此，它能够减少试验样机的数量，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力。
本文利用安世亚太公司的 疲劳分析软件FE-Safe对某车架结构的垂直弯曲 疲劳进行了分析计算，再现了该车架在垂直弯曲疲劳试验中出现的问题，提出解决方案。同时利用试验结果进行对比校核，验证了本文分析的可信度。
2 车架有限元模型的建立
根据车架垂直弯曲 疲劳分析与试验的公司内标准，建立光车架有限元分析模型。
2.1 结构离散化
根据车架结构的特点，用薄板单元对其进行有限元网格划分，部分铸件用实体单元模拟， 螺栓和铆钉连接用刚性元结合梁元来模拟。有限元模型共划分单元约16万个，节点约12万个。图2-1为车架有限元网格模型图。

图2-1 车架有限元网格模型图
2.2 材料参数
车架材料为DFL590，计算时取弹性模量E=210Gpa，泊凇比μ=0.3，UPS=345Mpa。材料的S-N曲线如图2-2所示。

图2-2 车架材料的S-N曲线
2.3 分析载荷
2.3.1 静态应力分析载荷
根据车架的轴距和前后轴满载负荷、装载质量、车辆满载总质量，计算出车架上的加载位置，静态应力分析所加载荷为：F=5.9KN。
2.3.2 垂直弯曲 疲劳寿命分析载荷
根据车架的轴距和前后轴满载负荷、装载质量、车辆满载总质量，计算出车架上的动态加载按正弦规律变化，范围为：5.9KN～72.9KN，加载频率为：f=1.1Hz。由于静态应力分析时已经施加了静载F=5.9KN，因此疲劳分析时载荷变化曲线范围可取为：1.0～12.36。图2-3为疲劳寿命分析时采用的载荷变化曲线。

图2-3 车架垂直疲劳分析载荷

3 疲劳结果
3.1 疲劳试验结果

图3-1 车架垂直弯曲疲劳试验装置
图3-1 显示了车架垂直弯曲疲劳试验装置。
在疲劳试验循环到7.7万次时，车架纵梁下翼面的某一小孔处出现疲劳开裂。图3-2为开裂后继续循环造成车架断裂的图片。

图3-2 车架垂直弯曲疲劳断裂图片
3.2疲劳分析结果
利用FE-Safe软件进行疲劳寿命分析计算，得到的疲劳寿命分布图如图3-3所示。可以看到，分析计算得到的裂纹初始位置与图3-2显示的试验结果吻合，开裂小孔附近的循环寿命为 N1=104.32=20989次和N2=104.94=88163次。
由于判断疲劳试验是否需要终止的标准是，肉眼看到明显的裂纹，对于在裂纹萌生阶段的细小裂缝无法观测。因而可以判断在循环到20989万次左右时小孔处开始萌生微裂纹，
循环到8万多次时会有肉眼所见的开裂，与疲劳试验所得的7.7万次相比，相差不大。
去掉该车架下翼面处的小孔后，利用FE-Safe软件重新计算疲劳寿命。图3-4为新方案的车架疲劳寿命分布图。原车架下翼面小孔处的循环寿命达到16万次，有明显的提高。

通过重新对新方案车架进行垂直弯曲疲劳试验，结果达到该项试验的标准要求。

图3-3 车架垂直弯曲疲劳寿命分析结果

图3-4 新方案车架垂直弯曲疲劳寿命分析结果
4 结论
疲劳分析得到的寿命分布与试验结果吻合的比较好，寿命大小与试验结果略有出入，这一方面是由于疲劳试验中采取用肉眼观察方法判断开裂时存在误差，另一方面由于本次疲劳分析时没有进行更进一步的微裂纹产生后的裂纹扩展分析，以及分析模型与试验样车间的差异等。