汽车支架结构振动疲劳性能优化研究

胡细东，袁江

（张家界航空工业职业技术学院，湖南 张家界 427000）

汽车支架结构振动疲劳性能优化研究

胡细东，袁江

（张家界航空工业职业技术学院，湖南 张家界 427000）

∶主要研究了汽车支架结构的振动疲劳，探讨了结构振动疲劳分析原理，提出了汽车支架结构分析流程，明确了支架结构振动疲劳分析的关键要素，并且分享了提升支架疲劳性能的几个原则。讨论了输入经验功率谱密度曲线不合适，导致前期评估不足，后面的道路试验出现支架断裂的问题。通过修正输入的功率谱密度曲线，文章解决了评估不足的问题。此外通过提高结构固有频率，避开道路激励载荷频率，解决了文章中的支架振动疲劳开裂问题，顺利通过验证试验。

∶支架；振动疲劳；功率谱密；固有频率

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.015

CLC NO.: U463.83Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-38-04

引言

车身上有多个支架，用于安装各个部件，在车辆开发试验过程中经常会发现车身支架开裂失效的问题，有时甚至出现交付到市场车辆在特定的使用情况下也会出现支架断裂失效。

在寻找支架结构失效的原因时，常常发现支架在静态常规工况下的应力是远远低于材料的疲劳极限的，因此这些支架失效的原因不是因为静态疲劳。此外，该支架在滥用工况的强度也是满足性能要求的，说明支架失效的原因不是因为过大的载荷导致结构强度失效。在引起汽车支架失效的道路采集时域载荷谱，转换成频域载荷谱；通过实验或CAE软件测量或分析支架结构的固有频率和振型，观察输入的频率载荷谱和结构固有频率，可以发现，输入载荷的频率与结构某一阶或某几阶固有频率一致或接近，这就导致结构在某个输入频率下发生共振，从而产生了更大的结构响应，加速了结构疲劳破坏。因此，这些支架失效的主要原因是振动疲劳破坏，必须用振动疲劳分析方法进行研究。

汽车时刻都是在振动环境下工作，道路、发动机以及高速风阻都是导致车辆振动的来源。可以通过一些手段降低传递到车身的结构振动。比如隔震，动力总成与车身支架通过橡胶衬套或液压悬置连接，底盘和车身连接通过橡胶衬套连接，冷却模块与车身通过橡胶衬套连接等等。比如减震，前后轮都会安装减震器来衰减传递到车身上的Z向振动载荷，前面提到的橡胶衬套和液压悬置也有一定的衰减振动载荷能量的功能。比如解耦，在车辆开发初期，就考虑车辆各系统以及与输入载荷的解耦，避免发生共振现象。

虽然在车辆开发时考虑了很多控制结构振动的方法，但由于道路的复杂性以及车辆轻量化的要求，汽车上一些支架结构在开发过程中出现振动疲劳失效的情况仍然很常见，必须研究满足车辆轻量化要求的支架振动疲劳评估方法和分析标准。

1、结构振动疲劳

1.1结构振动疲劳的定义

在结构疲劳破坏中包含这样一类重要问题，即如果交变输入载荷的频率与结构的某一阶和某几阶固有频率一致或相接近时，结构将会发生共振，这时一定的激励将会产生更大的响应，以致于结构更加易于产生疲劳失效。

既然问题涉及到结构共振响应，显然需要利用结构动力学技术加以研究，从而可以揭示一些与结构动态特性有关的规律，这一问题称为振动疲劳或动态疲劳问题。

迄今为止，有关文献中关于振动疲劳的研究不多，有的文献即使提到振动疲劳一词，但并没有明确振动疲劳的定义、破坏特点及其与静态疲劳问题的区别，因而国内外很多人士仍然沿用静态疲劳技术处理振动疲劳问题。[1]

张阿舟指出，在20世纪60年代，S.H.Crandalpl首先将振动载荷作用下产生的具有不可逆且累积性的结构损伤或破坏称为振动疲劳，这一定义对传统的疲劳方法，并没有带来显著的改变也没有涉及振动疲劳现象的动力学本质。[2]

为了揭示结构振动疲劳问题的动力学特性，姚起杭等根据大量的使用和试验中结构振动破坏现象提出以下的定义，振动疲劳是结构所受动态交变载荷(如振动、冲击、噪声载荷等)的频率分布与结构固有频率分布具有交集或相接近，从而使结构产生共振所导致的疲劳破坏现象，也可以直接说成是结构受到重复载荷作用激起结构共振所导致的疲劳破坏。所以，只有结构在共振带宽内或其附近受到激励导致的共振破坏才属于振动疲劳破坏，否则都属于静态疲劳问题。[1]

1.2结构振动疲劳分析原理

影响结构疲劳性能的三个要素是结构特征、材料性能和载荷工况，在振动疲劳分析中它们主要表现为结构传递函数、材料SN曲线及输入载荷功率谱密度。如果能输入与实际状况一致的三要素参数，并且采用可靠的疲劳寿命估算方法，就可以精确地评估结构的振动疲劳性能。但目前的情况是，通常没有条件满足所有的分析参数与实际一致，只能尽可能接近真实状况。

道路工程档案是指在道路工程建设的活动中逐渐形成的具有保存价值的文字、图片、表格、声视频及电子文件等各种形式上的道路工程历史记录。道路工程档案建设也是对道路工程整体项目建设全过程的翔实记录和真实记载。

传递函数是指零初始条件下线性系统响应（即输出）量的拉普拉斯变换（或Z变换）与激励（即输入）量的拉普拉斯变换之比。记作G(s)=Y(s)/U(s)，其中Y(s)、U(s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。传递函数是系统的物理参数，也就是它受结构本身决定，不会随着输入而变化。实际分析过程中，建立有限元模型，分析结构在一定频率范围内单位加速度激励载荷下的频率响应分析进行研究。频响分析通常有两种分析方法，直接法频响分析和模态法频响分析，考虑到大模型的计算效率，通常用模态法频响分析。有限元本身就是现实结构的近似模型，另外考虑到连接、结构特征、工艺、阻尼等影响，实际上建立与现实模型完全一致的有限元模型是不可能的，只能尽可能反映模型真实状况，刘文华研究了不同结构阻尼参数对结构振动疲劳的影响，发现结构阻尼参数设定对结构应力响应影响显著，从而对结构疲劳性能影响显著。[3]

材料的SN曲线是材料疲劳性能的主要体现，加载频率对材料的疲劳性能有影响，因此，结构振动疲劳SN曲线应该在一定应力跟踪共振频率发生共振破坏进行试验，而通常用的SN曲线都是非共振频率试验。史展飞研究了加载频率对金属高周疲劳寿命和裂纹扩展的影响，他发现加载频率对不同材料的高周疲劳寿命的影响是不同的，此外加载频率对寿命的影响反映到裂纹扩展模型上也不统一，温度、频率、应力比、强度因子范围都对裂纹扩展模型有影响。[4]由于对于振动疲劳的机理研究得还不是很清楚，目前尚没有成熟的修正静态SN曲线方法用于研究振动疲劳。由于条件所限，本文仍采用常规加载频率获得的SN曲线。

功率谱密度是一种概率统计方法，是对随机变量均方值的量度，一般用于随机振动分析，连续瞬态响应只能通过概率分布函数进行描述，即出现某水平响应所对应的概率。汽车行驶的道路载荷基本都是随机动态载荷。功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果，是一条功率谱密度值—频率值的关系曲线，其中功率谱密度可以是位移功率谱密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度、力功率谱密度等形式。数学上，功率谱密度值—频率值的关系曲线下的面积就是均方值（E[x2(t)]），当均值为0时均方值等于方差，即响应标准偏差的平方值。在本文的分析中，由于前面频响分析激励载荷采用加速度信号，所以疲劳分析中也采用加速度功率谱密度。

疲劳寿命估算用疲劳累积损伤来评估，目前理论界和工程界广泛接受的理论是Miner线性累积损伤理论，理论简单，使用方便，并可以较好的预测疲劳寿命的均值。结构寿命估算方法分为时域法和频域法，本文采用频域法，频域法就是在频域内用响应功率谱密度（PSD）的谱参数描述响应应力信息，然后根据材料的疲劳性能曲线和累积损伤理论估算结构疲劳寿命。道路载荷谱峰值通常是属于宽度高斯随机分布，因此在疲劳寿命估算是采用Dirlik雨流幅值分布模型，很多研究指出，Dirlik公式具有很高的精确性。[5]

2、汽车支架结构振动疲劳分析

2.1支架结构振动疲劳分析流程

首先根据物理模型建立汽车支架结构的有限元模型，必须设置一定的结构阻尼，施加单位加速度激励载荷，进行结构频响分析，从而获得单位载荷下的结构频响函数。通过道路加速度载荷谱转换获得加速度功率谱密度曲线，或者基于试验标准输入要求的加速度功率谱密度曲线。通过试验、软件估算或从材料库获得支架结构上主要关心部件的SN曲线，输入到疲劳分析软件中，然后设置各种疲劳分析参数，进行疲劳损伤分析，流程如图1所示。

图1　结构振动疲劳分析流程图

2.2提高支架结构振动疲劳性能的方法

a）减轻振源强度，比如改善发动机性能，减轻发动机自身振动；优化车身的外流场特性，降低汽车高速行驶时气流扰动引起的振动。但是对于道路，一般无从控制和选择，只能从其他途径去控制结构振动。

b）在传递路径上降低振动在结构上的传递，比如增加减震器、橡胶悬置等。

c）对结构进行振动控制设计，比如额外增加阻尼，增加动力吸振器等；

d）更改结构形式，提高结构刚性，从而改善结构抗疲劳能力。

3、某汽车支架疲劳性能分析及优化

3.1某支架结构振动疲劳性能分析

某车型在车辆开发过程中，一支架部件如图2所示，在比利时石块路上跑试验时，跑到将近70%时出现支架断裂。但是，之前也通过经验加速度功率谱密度曲线进行过振动疲劳分析，发现损伤较小，可以满足疲劳耐久性能要求。这说明之前分析的可靠性有问题，逐步检查分析的CAE模型、材料的SN曲线及输入的经验PSD载荷曲线。采集了道路载荷谱如图3所示，可以将其转化成道路PSD载荷谱。通过比较经验PSD载荷曲线和道路PSD载荷，如图4所示，发现所用的经验载荷，不能满足耐久疲劳性能评价要求。

图2　某汽车支架模型

图3　采集的道路载荷谱

图4　经验PSD曲线与道路PSD曲线对比

通过实际道路PSD曲线进行分析，支架附近疲劳损伤为5.3，高于损伤不超过1的疲劳性能要求，发生开裂的风险很大。

3.2某支架结构振动疲劳性能分析

之前讨论过，如何提高支架结构的抗疲劳性能，但对于本文的模型来说，减振隔振方法成本太高，效果也不明显，主要还是需要通过优化支架结构来改善支架的抗疲劳性能。袁毅在论文中提过，道路不平度的激励的频率范围在2～30Hz以内。[6]从采集的一系列道路载荷谱也可以看出这一点，因此确定将支架结构固有频率优化到40Hz以上，这样就可以避免支架结构在道路激励下耦合从而产生共振，加速支架疲劳。

通过对支架在车身安装点位置布置优化及局部特征优化，提升支架固有频率到42.98Hz，支架结构刚性大大增强，如图5所示。结构优化后，通过道路PSD曲线分析支架损伤，支架附近的最大损伤为0.0034，满足耐久性能要求。在后面的道路试验过程中，该支架也不再出现开裂问题。

图5　优化后的支架固有频率

4、结语

本文主要研究了车辆上支架的疲劳问题，车辆道路载荷和车辆很多部件的固有频率有交错，所以明确了在车辆上，很多支架部件疲劳属于振动疲劳问题。

通过检索相关文献，进一步明确振动疲劳的定义，更加明确了汽车上的支架疲劳主要是共振疲劳。通过研究结构振动疲劳分析原理，明确了在振动疲劳分析的主要影响因素，确定了结构振动疲劳分析流程，并提出了改善支架抗疲劳性能的几个原则。

针对某车型支架在道路试验中疲劳失效，而在实际分析评估时，却没有及时发现问题。通过一系列的分析，发现过去评估的经验载荷曲线与实际道路曲线有巨大差距。当换成实际道路载荷曲线，可以有效分析出该支架结构的确损伤较大，有失效风险。通过提高支架固有频率，避开道路激励载荷，提高了支架结构刚性和抗疲劳性能，因此，此结构最终可以顺利通过道路试验验证。

[1] 姚起杭,姚军. 工程结构的振动疲劳问题.应用力学学报.2006(1): 12～16.

[2] 张阿舟,诸德超,姚起杭,等. 实用振动工程[M].北京:航空工业出版社,1997.

[3] 刘文华,夏汤忠,陆志成,等. 汽车喇叭支架振动疲劳分析. 汽车科技,2012(9):26～29.

[4] 史展飞.结构振动疲劳特性及其试验方法研究:[学位论文] .西安,西北工业大学,2009.

[5] 王明珠. 结构振动疲劳寿命分析方法研究:[学位论文]. 南京,南京航空航天大学,2009.

[6] 袁毅.基于应力功率谱的结构振动疲劳寿命预测方法研究:[学位论文] .长沙, 湖南大学,2014.

Study on optimization of vibration fatigue performance of the vehicle bracket structure

Hu Xidong, Yuan Jiang
(Zhangjiajie Vocational and Technical College of Aeronautical Engineering, Hunan Zhangjiajie 427000)

In the paper, the vibration fatigue of the vehicle bracket structure was researched. The principle of the structure vibration fatigue analysis was discussed. The process of vehicle bracket structure analysis was presented. The critical factors of bracket fatigue analysis were definitely presented. And several principles of improving the bracket fatigue performance were enjoyed. due to the not appropriate input loading PSD curve, the bracket was not evaluated enough in the advanced stage and broke in the sequent road test. By modifying the input PSD curve, the insufficient evaluation problem was solved. In addition, by improving the structure natural frequency and avoiding the road excitation load frequency, the bracket vibration fatigue problem was solved, and the subsequent verification test was passed smoothly.

Bracket; Vibration fatigue; PSD; Natural frequency

∶U463.83

∶A

∶1671-7988(2016)09-38-04

胡细东 (1969-)，副教授，就职于张家界航空工业职业技术学院。主要从事机械电子工程及高职教育教学研究。