CN109214078B - 一种转向节疲劳寿命分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种转向节疲劳寿命分析方法，包括以下步骤：1）获取转向节的疲劳载荷；2）对所用材料进行单轴拉伸材料试验；3）若疲劳载荷为静载工况，采用弹塑性有限元分析方法求解；或者，若为实际路面载荷谱，通过弹性有限元法与线性叠加法求解，对超过屈服强度的点进行弹塑性有限元分析，获得修正后的应力应变结果；4）对获得的应力时域响应进行二轴性分析，确定转向节的载荷状态；5）对转向节进行损伤累积和寿命计算。本发明解决了在实际路面载荷谱输入下有限元求解耗时长的问题，同时又考虑了材料进入塑性阶段的应力应变，使得结果更为精确，通过组合静载工况或单通道静载工况来进行疲劳分析，在设计阶段提供了更多的参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车零件的疲劳寿命分析方法，具体是一种汽车转向节疲劳寿命分析方法。
背景技术
汽车转向节作为汽车悬架中的重要安全部件，其作用主要连接车轮和车身，承载簧上质量，同时转向桥的转向节还负责带动车轮转向，其承受工况强度大且复杂，路面传递给车轮的垂向力，侧向力，纵向力、制动力矩等均直接传递到转向节。转向节若在使用过程发生断裂破坏，很可能发生严重的事故，故对转向节的结构性能有较大的要求。汽车在实际使用过程中，其零件所受到的载荷均为交变载荷，其幅值大小随机变化，在这种交变载荷作用下，会导致裂纹的萌生，进而扩展和发生破裂失效，该现象称为疲劳破坏，也即当转向节具有一定的静强度性能时，也不一定能具有足够的抗疲劳破坏性能。汽车的设计寿命较长，例如需要保证能够行驶24万公里而零件不发生疲劳破坏。转向节作为悬架中重要的承载部件，一旦出现破坏很可能出现较为严重的安全事故，所以对其疲劳强度性能要求较高。
对零件的疲劳性能验证，通常有试验室台架试验、试验场道路试验和实际道路疲劳耐久性试验，然而如果当零件出现强度不足情况，需要对零件重新进行结构改进和设计，增加了产品的开发周期和成本，如果能够在设计阶段进行疲劳仿真分析，及时改进结构，可以在一定程度上减少试验成本和缩短产品开发周期。
然而目前在对转向节进行试验零件级别的试验时，较少有在设计阶段进行仿真验证，在进行模拟实际道路载荷谱的疲劳仿真时，目前较多的方法为仅考虑材料的弹性阶段，忽略了在某些较为极限的工况下产生的塑性应变，现有技术在没有转向节的实际道路载荷谱时，也缺乏较为有效的疲劳寿命分析方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种转向节疲劳寿命分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下方案实现：
一种转向节疲劳寿命分析方法，包括以下步骤：
1)获取转向节的疲劳载荷；
2)在进行疲劳分析前，对转向节所对应的材料进行单轴拉伸材料试验，获取其静态拉伸力学性能；
3)若疲劳载荷为单通道静载荷或组合静载工况时，采用弹塑性有限元分析方法对其进行仿真分析，获取其应力应变响应；
或者，
若疲劳载荷为实际路面载荷谱时，通过弹性有限元法，分别分析转向节各个受力通道在单位载荷下的应力或应变响应，再根据各个受力通道对应的实际路面载荷谱进行线性叠加求解，获取其应力应变响应；
4)对获得的应力应变时域响应进行二轴性分析，确定转向节处于多轴载荷或单轴载荷状；
5)若转向节承受单轴载荷时，根据有限元分析结果，将其最大应力点作为疲劳热点，获取疲劳热点的应力和应变结果，通过材料的应变寿命曲线计算得到疲劳寿命结果；
或者，
若转向节承受的单通道静载荷为多轴载荷时，根据有限元分析结果，将其最大应力点作为疲劳热点，获取疲劳热点的临界面上的最大正应变幅Δεn,max和最大正应力σn,max，利用修正的SWT模型计算得到疲劳寿命结果；
或者，
若转向节承受的实际路面载荷谱为多轴载荷时，采用基于临界面法的多轴疲劳损伤参量，对应力应变响应谱进行雨流计数，利用材料的应变寿命曲线进行损伤累积，进而获得转向节有限元网格上各个节点的疲劳损伤和寿命结果，其中所有节点中寿命最小的值即为转向节零件的疲劳寿命结果。
进一步优选地，步骤2)中，所述静态拉伸力学性能包括材料应力与应变曲线、屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、弹性模量。
进一步优选地，步骤3)中，所述线性叠加求解的计算公式如下：
式中，ηij,k表示应力σij,k在k通道下的应力结果，k表示通道数，n为总通道数，Fk(t)表示第k个通道的时域历程的载荷谱。
进一步优选地，步骤4)中，进行二轴性分析时，分析转向节二轴比、二轴比标准偏差、角展度，若二轴比为0或与0的差值低于设定阈值时，则判断转向节承受单轴载荷，否则为多轴载荷。
进一步优选地，步骤5)中，所述利用修正的SWT模型来进行寿命计算的公式如下：
式中，E为弹性模量，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性指数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数。
进一步优选地，所述步骤3)中，对单通道静载荷的工况进行弹塑性有限元分析时，对转向节的边界条件处理为在轮心安装孔固定约束，在其余加载点施加单向的力或力矩。
进一步优选地，所述步骤3)中，对组合静载工况进行有限元分析时，采用惯性释放法求解。
进一步优选地，所述步骤3)中，在求解各个受力通道在单位载荷下的应力和应变响应时，采用惯性释放法求解。
进一步优选地，所述步骤3)中，在经过弹性有限元与线性叠加法求解实际路面载荷谱的应力应变响应后，对其峰谷值点进行检测，对于超过屈服强度的点重新进行弹塑性有限元分析，获得其修正后的应力和应变结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了转向节在实际路面载荷谱输入下有限元求解的耗时长的问题，同时又能考虑了材料进入塑性阶段的应力应变，使得疲劳分析结果更为精确，在缺乏实际路面载荷谱输入下，通过组合静载工况或单通道静载工况来进行疲劳分析，使得转向节在结构设计阶段进行疲劳性能预测并具有一定的参考价值。
附图说明
图1为转向节寿命分析总体流程；
图2为车轮力示意图；
图3为转向节的材料拉伸试件示意图；
图4为塑性应变与应力曲线；
图5为应变寿命曲线；
图6为定义组合循环工况示意图；
图7为转向节与控制臂安装点的路面载荷谱；
图8为实际路面载荷谱的功率谱密度曲线；
图9为实际路面载荷谱作用下疲劳分析的节点结果值；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例中，一种转向节疲劳寿命分析方法，包括以下步骤：
获取转向节的疲劳载荷，若为组合静载工况，则需要获取每个静载工况的载荷，其方法是通过定义汽车行驶工况的动载系数来计算得到车轮接地点或轮心的力，再通过在多体动力学模型中输入车轮接地点或轮心的力来获取转向节各个安装点的载荷。
作为示例，表1中给出了转向节与控制臂安装点在六个工况下的载荷，因为该安装点为球铰副连接，故只有三个平动方向的分力，没有转矩。
表1
如图2所示，在进行疲劳分析前，对转向节所对应的材料进行单轴拉伸材料试验，获取其静态拉伸力学性能，包括材料应力与应变曲线、屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、弹性模量。图3为拉伸试验获得的塑性应变与应力的曲线，作为弹塑性有限元分析的材料参数输入。
在获得其材料的静态拉伸力学性能参数后，需要估算其应变寿命曲线，也即估算其各疲劳性能参数的值，采用以下学者Manson提出的四点关联法公式来进行计算：
式中，E为弹性模量，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性指数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，σb为材料的抗拉强度，σf为材料疲劳强度，εf为材料断裂韧性。其中材料的疲劳极限和断裂韧性分别可以通过下面两式来估计：
σf＝σb(1+εf)
其中ψ为材料的断面收缩率。
得到的应变寿命曲线如图4所示。
对各个静载工况进行弹塑性有限元分析，得到各个工况的应力与应变结果。
再定义疲劳工况，其方法是将两个或两个以上的静载工况定义一个循环载荷工况，分析该单个循环载荷工况的循环次数即为其疲劳寿命，图5为一个循环载荷工况示例，表2定义了四个疲劳工况以及其评价标准，当分析的疲劳寿命超过评价标准的次数即表示合格。
表2
对其进行二轴性分析，得到结果为非比例载荷，因此采用临界面法的多轴疲劳理论来进行疲劳寿命分析，采用Morrow平均应力校正方法，相关的疲劳分析求解器较多，可以采用nCodeDesign Life商业软件来完成此步骤，得到其疲劳寿命分析结果如表3所示。
表3
实施例2：
本发明实施例中，如图1所示，一种转向节疲劳寿命分析方法，包括以下分析过程：
获取转向节的疲劳载荷，若为实际路面载荷谱，因为实际路面载荷谱直接测量的为汽车四个轮心处的六分力，故需将轮心力分解得到转向节各个安装点的载荷谱，其方法为在多体动力学软件中建立整车动力学模型，以轮心力载荷谱作为迭代目标，获得虚拟垂向车轮作动缸的激励信号，以此激励信号作为动力学仿真的输入，再得到转向节各个安装点的载荷谱，如本实施例中获得转向节与控制臂安装点的载荷在x方向的载荷谱如图6所示。
对材料进行拉伸试验获得材料的静态拉伸力学参数，并进而估算获得材料的应变寿命线，其方法与实施例1相同。
以转向节的载荷谱作为输入，求解转向节的应力和应变响应，通常求解的方法有模态叠加法、直接积分法、弹性有限元分析与线性叠加法等，前两种一般使用于激励频率与构件的固有频率较为接近的情况，而且直接积分法计算耗时很大，为作为验证，分析转向节的固有频率，如表4所示为该实例中转向节的前四阶固有频率。
表4
对图6中的载荷谱进行频谱分析，得到其功率谱密度图，如图7所示，其频率在70Hz以下，其中主要激励力在20Hz，而最低阶固有频率为1156Hz，大于最大激励频率的四倍，可以忽略其动态响应，直接采用弹性有限元分析与线性叠加法。
对转向节的各个加载通道，也即各个安装点的各个分力方向分别进行加载单位载荷，并采用惯性释放法进行求解，得到各个加载通道的应力应变结果，在利用各个对应通道下的载荷谱进行线性叠加，其原理如下公式所示：
式中，ηij,k表示应力σij,k在k通道下的应力结果，σij,k为第k个通道下的应力结果，k表示通道数，n为总通道数，Fk(t)表示第k个通道的时域历程的载荷谱。
载荷谱中包括了搓衣板路面、比利时路面、银溪路面、瓦石路面四条强化路面工况和静止加速与制动、弯道行驶两行驶工况，在进行仿真分析时需要对其分别循环3400，1800，360，1200，32000，5000次，通过组合循环上述几种强化工况，等效为转向节在汽车实际行驶中应当具有的寿命
在经过弹性有限元与线性叠加法求解实际路面载荷谱的应力应变响应后，对其峰谷值点进行检测，对于超过屈服强度的点重新进行弹塑性有限元分析，获得其修正后的应力和应变结果。
对获得的应力应变时域响应进行二轴性分析，确定转向节处于多轴载荷还是单轴载荷状态，分析其二轴比、二轴比标准偏差、角展度，若二轴比为0或接近于0，则承受单轴载荷，否则为多轴载荷，二轴比标准偏差若不接近零和角展度较大，说明所受载荷为多轴非比例载荷，结果分析得到平均二轴比在-0.998到0.861之间变化，二轴比标准偏差在0到0.434之间变化，角展度在0到93°之间变化，因此总体来说转向节承受的是多轴非比例载荷。
采用Miner线性疲劳累积损伤计算方法和Morrow平均应力校正方法，多轴疲劳损伤模型采用临界面法，得到其分析结果如图8所示，其给出了损伤最大或寿命最小的五个节点的结果，其中最小寿命为8，损伤最大值为0.123，说明该转向节在规定循环次数的载荷谱作用下并没有发生疲劳破坏。
该实施例2的总体分析方法如图9所示。
尽管参照前述两实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取转向节的疲劳载荷；
2)在进行疲劳分析前，对转向节所对应的材料进行单轴拉伸材料试验，获取其静态拉伸力学性能；
3)若疲劳载荷为单通道静载荷或组合静载工况时，采用弹塑性有限元分析方法对其进行仿真分析，获取其应力应变响应；
或者，
若疲劳载荷为实际路面载荷谱时，通过弹性有限元法，分别分析转向节各个受力通道在单位载荷下的应力或应变响应，再根据各个受力通道对应的实际路面载荷谱进行线性叠加求解，获取其应力应变响应；
4)对获得的应力应变时域响应进行二轴性分析，确定转向节处于多轴载荷或单轴载荷状；
5)若转向节承受单轴载荷时，根据有限元分析结果，将其最大应力点作为疲劳热点，获取疲劳热点的应力和应变结果，通过材料的应变寿命曲线计算得到疲劳寿命结果；
或者，
若转向节承受的单通道静载荷为多轴载荷时，根据有限元分析结果，将其最大应力点作为疲劳热点，获取疲劳热点的临界面上的最大正应变幅Δεn,max和最大正应力σn,max，利用修正的SWT模型计算得到疲劳寿命结果；
或者，
若转向节承受的实际路面载荷谱为多轴载荷时，采用基于临界面法的多轴疲劳损伤参量，对应力应变响应谱进行雨流计数，利用材料的应变寿命曲线进行损伤累积，进而获得转向节有限元网格上各个节点的疲劳损伤和寿命结果，其中所有节点中寿命最小的值即为转向节零件的疲劳寿命结果。
2.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，步骤2)中，所述静态拉伸力学性能包括材料应力与应变曲线、屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、弹性模量。
3.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，步骤3)中，所述线性叠加求解的计算公式如下：
式中，ηij,k表示应力σij,k在k通道下的应力结果，σij,k为第k个通道下的应力结果，k表示通道数，n为总通道数，σij(t)为叠加后的应力时域历程结果，Fk(t)表示第k个通道的时域历程的载荷谱。
4.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，步骤4)中，进行二轴性分析时，分析转向节二轴比、二轴比标准偏差、角展度，若二轴比为0或与0的差值低于设定阈值时，则判断转向节承受单轴载荷，否则为多轴载荷。
5.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，步骤5)中，所述利用修正的SWT模型来进行寿命计算的公式如下：
式中，Δεn,max为最大正应变幅，σn,max为最大正应力，E为弹性模量，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性指数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数。
6.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述步骤3)中，对单通道静载荷的工况进行弹塑性有限元分析时，对转向节的边界条件处理为在轮心安装孔固定约束，在其余加载点施加单向的力或力矩。
7.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述步骤3)中，对组合静载工况进行有限元分析时，采用惯性释放法求解。
8.根据权利要求1所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述步骤3)中，在求解各个受力通道在单位载荷下的应力和应变响应时，采用惯性释放法求解。
9.根据权利要求1或3所述的一种转向节疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述步骤3)中，在经过弹性有限元与线性叠加法求解实际路面载荷谱的应力应变响应后，对其峰谷值点进行检测，对于超过屈服强度的点重新进行弹塑性有限元分析，获得其修正后的应力和应变结果。
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