横拉杆载荷谱采集与疲劳仿真分析

朱雄 丁玲 王朝斌 吴旭

摘 要：本文以某型汽车多连杆悬架横拉杆为模型进行载荷谱时域历程采集、静强度校核、疲劳仿真分析。在横拉杆上选择合适位置粘贴应变片，组全桥测量轴向应变。在拉压力试验机上标定出横拉桿轴向受力与测点应变之间的线性关系。根据可靠性试验规范采集一个完整循环的横拉杆载荷谱，为疲劳分析提供力信号输入。建立横拉杆有限元模型，对比实测应变与仿真输出对应点应变，修改验证模型，保证有限元模型的准确性。以实测载荷谱为输入对横拉杆进行疲劳仿真分析，验证横拉杆是否满足可靠性要求。

关键词：横拉杆；载荷谱；有限元；疲劳仿真

中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）05-0064-03

Abstract： In this paper， the load spectrum time history acquisition， static strength checking and fatigue simulation analysis of a multi-link suspension rack rod are carried out. Strain gauges were pasted on the track rod to measure the axial strain. The linear relationship between the axial force of the track rod and the strain at the measuring point is determined on the tensile testing machine. According to the reliability test specification， a full cycle load spectrum of track rod is collected to provide force signal input for fatigue analysis. The finite element model of thetrack rod is established， the corresponding strain of the measured strain and the simulation are comparedto ensure the accuracy of the finite element model. Based on the measured load spectrum， the fatigue analysis is carried out to verify whether the track rod meets the durability requirements.

Key Words： track rod； load spectrum； finite element； fatigue simulation

1 前言

多连杆悬架横拉杆在汽车行驶过程中将路面激励传递到车身，长时间承受着交变载荷作用，可靠性需要得到充分验证。本文通过应变标定测出横拉杆实际受力的时域历程，建立横拉杆有限元模型并结合试验验证。以实测载荷谱为输入进行疲劳仿真分析，验证横拉杆是否满足可靠性要

求。同时找出危险点，为设计开发及试验工作提供参考。

2 横拉杆载荷谱测量

2.1 应变片粘贴及标定

在横拉杆上选择合适位置打磨、粘贴应变片，两个十字双向应变片对称粘贴在两侧，接线组成全桥。主应力方向平行于横拉杆轴向。应变片粘贴位置见图1：

制作合适的夹具，将横拉杆固定在拉压力试验机上，见图1。拉压力试验机输出拉压力和位移信号至数采系统，与横拉杆上应变信号时域同步采集。采样率为100Hz。对横拉杆进行力与应变的标定，标定结果见图2。将横拉杆受力后测得的应变信号转换为力信号。

2.2 耐久规范载荷谱采集

参考可靠性试验规范采集一个完整循环的横拉杆载荷谱。包含了1#综合路、2#综合路、一般公路、城市工况、高速工况、坡道、比利时路等7种路面类型。采集得到的横拉杆信号实际为应变信号，质量较差，存在温漂、毛刺等。需要对其去毛刺、去趋势、滤波处理[1]，得到质量较好的信号。以1#综合路为例展示采集到的横拉杆载荷谱，见图3。从时域历程中可以得出横拉杆受力最大值为7230N。

3 横拉杆有限元模型建立及验证

3.1 有限元模型建立

根据横拉杆三维数模建立有限元模型，采用实体网格。为了保证计算精度，结合横拉杆实际尺寸，确定划分网格单元尺寸为1mm。共有346565个单元、76075个节点。材料为Q235，屈服极限235MPa，抗拉压强度为430MPa，在有限元模型中赋予材料属性。有限元模型见图4：

3.2 模型校核

有限元模型建立完成后需要对其进行校核。按照横拉杆的实际情况为模型设置约束和受力。取有限元模型上对应实际应变片粘贴位置的单元（ID号为81979），静力分析输出该单元的应变信号。对比拉压力试验和静力仿真试验同一单元应变信号，验证模型是否有效，见表1。载荷谱信号中横拉杆最大受力为7230N，所以只验证13000N以内的载荷。由表1可以得出仿真应变信号与实测应变信号很接近，验证了模型的有效性。

4 横拉杆静力分析

4.1 单位力下应力分布

以单位力1N为边界条件进行静力分析，为疲劳仿真提供输入。单位力下的应力分布云图见图5：

4.2 静强度分析

以最横拉杆最大受力对横拉杆进行静强度校核。静力仿真分析结果见图6：

分析得出横拉杆最大应力出现在U形卡槽与圆杆连接处，见图6。最大应力为207Mpa，小于材料屈服极限235Mpa，静强度满足要求[3]。

5 疲劳仿真分析

对实车行驶试验中测试的横拉杆载荷谱进行频谱分析，确定其所受载荷频率范围为2-10 Hz。对横向稳定杆进行自由模态分析，得到其一阶固有频率为109Hz，远大于受载频率[2]。且横拉杆的最大等效应力低于材料屈服极限，故采用静态有限元疲劳分析方法对横拉杆进行疲劳仿真计算。

对实际构件进行尺寸效应、应力集中、载荷形式、循环特征还有表面加工状态等方面的修正。采用Goodman 方法修正平均应力。基于横拉杆材料的应力—寿命曲线，在软件输入一个完整循环的载荷谱和单位力下应力分布，仿真分析出横拉杆的疲劳寿命。疲劳寿命云图见图7：

从图中可以看出疲劳破坏最易发生的地方在U形卡槽与圆杆连接处，最小寿命为1787个循环。可靠性试验一共包含533个循环，横拉杆最小疲劳寿命为1787个循环。所以横拉杆满足可靠性要求。在可靠性试验过程中横拉杆未出现失效情况，也验证了疲劳仿真结果的准确性。

6 结论

根据对横拉杆的有限元静力学分析和疲劳寿命分析可以得出结论：横拉杆寿命最薄弱的部分在U形卡槽与圆杆连接处，可以通过提高结构表面精度和在设计上减小集中应力的方法来改善这部分的疲劳损伤状况。预测了危险点，在结构设计时就能找出疲劳寿命的薄弱位置，优化设计方法。在可靠性试验检查维护时，可以重点针对疲劳薄弱部位增加检查频次，预防疲劳断裂事故的发生。

参考文献：

[1]于海波.汽车承载系试验场用户关联可靠性试验方法[D].研究长春：吉林大学，2008.

[2]王国军，闫清东，孟宪峰.汽车减震器支座疲劳开裂原因分析[J].农业装备与车辆工程，2006（5）：23-25.

[3]朱茂桃，奚润，李伟.某轻型汽车后桥壳体疲劳寿命分析[J].汽车技术，2009（1）：34-37.