考虑焊接螺母的排气管支架疲劳优化研究

徐成民，连志斌，李天兵

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

汽车排气系统一般与发动机排气歧管以及车身地板相连，受发动机振动和排气激励的影响，其振动相对较大，设计不佳可能引起排气系统与车身地板连接处的疲劳开裂问题[1]。

朱品昌等[2]针对轿车排气管挂钩处的疲劳开裂问题，首先利用简单的CBUSH单元对动力总成悬置系统、排气管及吊耳等进行简化，然后对简化模型进行频率响应分析来优化挂钩的局部动刚度，最后通过增加刚度来提高挂钩的疲劳寿命。王玉超等[3]利用传递函数法分析排气系统挂钩的局部固有频率，优化与挂钩连接的支架结构和车身地板的振动。 上官文斌等[4]建立了考虑动力总成在内的排气系统振动分析模型，通过对吊耳动刚度的优化，有效地降低了车身底板的共振。

在上述研究之前，研究者针对排气管挂钩或支架的问题研究主要集中在局部动刚度上，即通过频率响应分析提出加强支架等优化方案，以便提高局部刚度，从而解决共振或者疲劳问题。由于没有利用疲劳仿真分析法，对开裂的位置进行疲劳寿命预测，且未考虑挂钩或支架局部的开裂细节，单纯地加强支架刚度，所以具有一定的局限性。本研究针对开发阶段，样车排气管支架出现疲劳开裂的问题，通过ABAQUS和FEMFAT联合仿真，在考虑螺母凸焊和螺栓预紧力的影响下，建立支架的局部模型进行疲劳分析，并提出优化方案；对支架模型进行局部疲劳试验验证，试验结果和仿真结果趋势基本吻合，将优化方案应用到实车中，成功地解决了开裂问题。

1 支架疲劳开裂分析

某车型样车阶段，在进行试车场强化路面和四通道液压振动台疲劳试验时，样车出现排气管支架断裂现象，如图1所示。通过观察实际开裂图片可知，发生开裂的零件是排气管支架，开裂位置出现在支架上焊接螺母的凸焊区域，凸焊螺母通过3条圆周均布的焊线与支架相连，而试验中裂纹沿着螺母的两条焊线向外扩展，直至发生三角形断裂。排气管连接示意图如图2所示。

图1 排气管支架疲劳开裂图

图2 排气管连接示意图

排气管支架处的连接是通过凸焊螺母实现的，如图3所示。螺母凸焊工艺是指通过上、下电极，将凸焊螺母焊接在薄钢板上的焊接工艺[5]。随着产品质量的不断提高，凸焊螺母在汽车行业已经得到广泛应用[6-7]。在车身上，一般是将凸焊螺栓（带凸点的螺栓）或者凸焊螺母（带凸点的螺母）焊在薄板上。这样在装配时，只需拧紧螺母或者螺栓就可以提高装配功效[8]，具有生产效率高、电能消耗少、劳动环境改善、焊接质量好等优点。

图3 局部模型连接图

由于凸焊螺母是螺栓连接，需要考虑螺栓预紧力的影响。合理的螺栓预紧力不仅可以提高螺栓的疲劳强度，还可以增强连接件的紧密性，同时对连接的可靠性和被连接件的寿命都有益处[9]。螺栓预紧力是影响螺栓连接面力学特性的一个重要因素。在精度需求较高的含螺栓连接的有限元分析中，螺栓预紧力的影响不可忽视，需要精确模拟螺栓预紧力[10]。在整车系统级疲劳分析中，很难考察出局部复杂连接的疲劳问题。因此，需要对排气管支架进行局部疲劳分析。局部模型螺栓连接剖面图，如图4所示。

图4 螺栓连接剖面图

2 有限元分析

2.1 非线性静态分析

对局部进行建模分析，凸焊螺母和支架被划分成六面体网格，网格尺寸为2 mm，螺栓通过Beam单元进行摸拟，并对螺栓施加预紧力，预紧力大小根据标准查得。通过共节点来模拟螺母与支架的焊接关系，其它部位通过接触模拟，在挂钩处施加载荷，如图5所示。通过ABAQUS进行非线性静态求解。

2.2 Miner线性累积损伤理论

图5 有限元分析模型

根据S-N曲线进行全疲劳寿命分析，排气管支架的S-N曲线通过调用疲劳软件，以零件的应力结果为基础，用雨流循环计数法和Miner线性累积损伤理论进行疲劳分析[11]。根据Miner线性累计损伤理论[12]，结构的疲劳损伤为：

式中：ni为应力水平Si循环的次数；Ni为结构在应力水平Si下的疲劳寿命。当累积损伤到达1时发生失效。

2.3 疲劳分析与优化

根据有限元非线性分析的结果，对上述模型施加正弦信号载荷，如图6所示，用疲劳分析软件结合线性累积损伤理论进行疲劳寿命分析。

图6 正弦疲劳载荷历程

疲劳寿命结果如图7所示。由图可知，损伤比较大的区域与实际疲劳开裂的位置（图2）基本一致，即位于凸焊螺母焊接区域；危险区域的寿命次数为38.9×103次。

在此基础上对方案进行优化，需要对局部结构进行加强。但考虑到成本最优，将圆形凸焊螺母（直径为18 mm）改为法兰螺母（直径为26 mm），模型对比如图8所示，螺母与支架的接触面积变大。

图7 圆形螺母疲劳损失云图（优化前）

图8 优化前后凸焊螺母对比剖面图

在ABAQUS有限元模型更改的基础上，得到优化方案的应力分析结果；对新模型进行疲劳模拟，疲劳仿真结果如图9所示。由图可知，损伤的分布发生了变化，危险区域的疲劳寿命次数变为344×103次，疲劳寿命得到很大提高。

图9 法兰螺母疲劳损失云图（优化后）

3 疲劳试验验证

通过试验对上述优化方案进行验证。取支架局部零件安装固定在试验台架上，如图10所示。通过油缸进行加载，加载的载荷与仿真中的载荷保持一致，载荷频率为10 Hz、幅值（Fa）分为550 N和450 N两种正弦信号，如图11所示。疲劳试验结果见表1。

图10 支架疲劳台架试验

图11 台架试验油缸加载信号

表1 优化前后样件试验寿命（×1000次）

针对以上试验优化前后的样件试验，典型的开裂模式如图12所示，优化前圆形凸焊螺母和优化后法兰凸焊螺母均在焊接区域产生裂纹，并向外扩展。

图12 典型样件开裂方式

对比试验和仿真结果可知，试验开裂的位置和仿真中的危险区域基本一致。寿命次数的比较如图13所示。将试验结果（表1）和仿真结果填入图13，由图可知，疲劳仿真中的寿命次数曲线（图中的直线）与试验结果趋势基本吻合。此外，优化后的法兰螺母的疲劳寿命（仿真和试验）位于标准线之上（黑色直线）。分析表明，法兰螺母的优化措施能够提高结构的寿命。在后续的整车试验中，优化后的法兰螺母连接也没有出现开裂，进一步验证了本研究提出的疲劳分析方法的有效性。

图13 疲劳寿命图

4 结论

本研究提出的优化方案，在整车样车疲劳试验中再次得到了确认，支架不再发生疲劳开裂。仅通过一个螺母的更改可以解决开裂问题，而没有额外增加零件成本，模具及工艺的费用也没有增加，这是一般的分析模拟方法所不能达到的效果。

通过对实际疲劳开裂问题进行分析，考虑到螺母凸焊和螺栓预紧力的影响，对模型进行局部疲劳仿真模拟，并提出优化方案。在此基础上，通过试验对仿真结果进行验证。针对凸焊螺母或者螺栓连接的疲劳开裂问题，通过建立局部疲劳模型进行仿真优化分析，并通过试验来验证疲劳预测。由此提出的疲劳优化方法能够有效地指导结构设计，节省了大量的开发费用，具有一定的工程实用价值。