某车型横向稳定杆台架疲劳仿真分析方法

2022-09-16于东娜鄂世国

汽车实用技术 2022年17期

于东娜，田崇，鄂世国

（华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳 110141）

1 背景介绍

横向稳定杆又称防倾杆，属于辅助弹性元件里面的扭杆弹簧，可有效防止整车在转弯时的横向侧倾及改善平顺性。左、右轮安装点受到来自颠簸路面引起的，在反向轮跳量为载荷幅值下的周期性往复运动，强度应力通常在弹性范围内，主要以高周疲劳耐久形式破坏。在稳定杆强度疲劳分析研究领域中，李艳红等对稳定杆全模型进行了疲劳分析。冯兰芳等在其基础上，引入了比较专业的MSC.fatigue软件来求解计算疲劳寿命。刘素红等根据疲劳计算结果进行灵敏度参数优化。近年，许期英等使用Isight软件对稳定杆的杆径做了优化，得到最大疲劳寿命下的最优杆径。以上的研究普遍存在着创建分析方法老旧，流程效率低，缺少与试验测试等对标实际情况。另外，稳定杆作为扭杆弹簧，多采用机械性能较高的60Si2CrVA、55Cr3、60Si2MnA等高强度弹簧钢，其在材料、成型、热处理、喷丸强化等方面影响稳定杆的强度及疲劳耐久性能。

本研究采用行业内通用的Hypermesh软件进行网格离散化快速处理，在ABAQUS求解器接口环境下，进行反向轮跳量加载下的非线性强度求解计算，通过疲劳耐久专业分析软件FEMFAT计算出其疲劳寿命，由于稳定杆受到的幅值载荷传递路径方向单一，且台架试验的工装夹具是按照路试再现法安装搭建，故能很好地反映出稳定杆的疲劳耐久性能，将仿真数据与台架试验测试数据进行对标，总结出了快速验证的流程技术规范，作为产品设计的理论指导，可有效地缩短开发周期。

2 研究对象

以乘用车某车型后桥横向稳定杆作为研究对象，带有衬套的总成3D数据模型如图1所示，图(a)为全局视图，图(b)为在衬套径向中心面提取的剖切视图。

稳定杆的弯曲折弯设计是根据整车总布置的要求，合理避让与其它结构件之间的运动干涉，但折弯越多，工艺工序增加，其成本越高；稳定杆的直径大小关系到其扭转刚度的大小，进而直接影响着整个悬架特性，即整车平顺性。扭转刚度计算公式如下：

式中，为扭转刚度，N∙m/rad；为单位载荷，N；为端头向位移，mm；为稳定杆端点法向距离，mm；在衬套径向刚度影响，约有30 N∙m/ rad～40 N∙m/ rad的偏差。所以稳定杆的结构设计需要全面兼顾考虑。

稳定杆优化前、优化后的材料信息如表1所示，由于衬套橡胶的特殊性，只有硬度参数来表征其本构信息，该硬度为Shore A 70。

在匹配好悬架特性前提下，稳定杆直径为19 mm，材料选定为55Cr3，根据实际装车状态进行台架试验，夹箍螺栓安装全固定，在稳定杆两端的耳孔位置，用作动器控制终端设置垂向±35.4 mm的反向行程（由悬架动力学仿真计算出的80%轮跳极限），疲劳寿命≥1.5×10为合格，稳定杆疲劳耐久台架试验测试如图2所示。

图2中破坏断裂位置出现在衬套外侧区域（弯扭复合应力），样件台架试验信息如表2所示。

该状态下的稳定杆疲劳耐久寿命不合格，与目标值相差甚远。由于悬架特性已匹配好，且衬套、夹箍须通用化（根据应力公式，如衬套厚度大小不变，杆径越大则应力越大，不建议增大杆径），所以通过改变材料来提升优化。积累的稳定杆常用材料的-试验测试曲线如图3所示。

根据图3及表1综合比较，60Si2CrVA各项性能指标明显优于55Cr3，经优化后的稳定杆台架疲劳耐久试验满足目标要求，试验信息如表3所示。

3 有限元建模与分析

3.1 前期建模

将模型数据导入Hypermesh软件，调用ABAQUS求解器编辑环境，由于该车型稳定杆在整车坐标系下为对称结构，镜像共节点处理即可。为保证精度，整体模型采用六面体单元，稳定杆端头过渡位置可适当采用少量的四面体单元。有限元模型处理要点顺序如下。

（1）由于衬套与稳定杆之间要共节点，在稳定杆与衬套接触区域需提前做好印记，可使用surface edit里面的trim with surfs/plane命令来构造切割线，washer split命令输入衬套轴向宽度来生成另一个偏移线，形成网格衍生的传递路径。

（2）分别在稳定杆圆型与端头扁平型过渡临界区域，使用split surf-line命令来勾勒路径的终点特征线，使用该特征线来切割出2个截面（圆截面和矩形面），后续要用。

（3）在稳定杆几何对称中心0点位上使用切割命令，采用5 mm四边形单元划分该圆截面。在line drag命令里，elems选择该圆截面单元，along line list先选择稳定杆中心面至衬套内侧的路径线，on drag根据尺寸设置层叠数量；生成实体网格后，在Tool里面的faces将实体网格生成辅助表面单元，再重复line drag命令，elems选择新的圆端面单元，alone line list选择步骤（1）的路径线，设置层叠数量生成网格后，同理依次生成衬套外侧至步骤（2）特征线区域的网格。将辅助表面单元全部删除。

（4）在稳定杆端头扁平区域，根据耳孔螺母直径大小，用washer split设置特征线，采用5 mm mixed混合单元划分，注意washer单元不允许有三角形单元，同样使用line drag命令，根据厚度设置好层叠数量，生成实体网格。

（5）将现有实体网格再次生成辅助表面单元，使用solid map里面的general命令选择步骤（2）切割好的圆截面作为source geom源面，其面单元作为源单元；矩形面作为dest geom目标面，其面单元作为目标单元，单元尺寸大小均为5 mm，mesh生成实体单元。

（6）根据衬套径向厚度，采取简易衬套模型处理，即使用elem offset里面的solid layers实体偏移，选择步骤（5）中衬套区域的辅助面单元，total thickness厚度为16 mm，number of layers层数为5，点击offset-（默认径向向心为正、向外为负）来生成共节点衬套网格，该方法是经过大量验证积累总结的替代法。将辅助表面单元全部删除。

（7）在衬套几何中心创建节点，与衬套外表面节点耦合创建rbe2单元（作为约束点）；在稳定杆端头螺母安装点创建节点，与washer单元节点耦合创建rbe2单元（作为载荷施加点）。

（8）在reflect镜像处理中，选中以上所有创建的单元，采用duplicate复制方法的original comp存档原组件的方法，轴为镜像方向，中心0点为参考点，生成全部网格模型。

（9）将整个稳定杆实体模型生成表面单元，其厚度设置为0.001，由于实体单元只有3自由度，而面单元具有6自由度的特点，能够将计算出的单元应力很好地积分到节点上，可有效地提高仿真精度。稳定杆有限元模型（含放大特写效果）如图4所示。

两种高强钢材料力学性能信息如表4所示。

上述两种材料力学性能几乎一致，只有密度有所差异。在衬套橡胶材料定义中，其密度通常为1.0E-9，用超弹特性Hyperelastic里面的Mooney_Rivlin模型来表征本构关系，硬度Shore A 70°对应参数C10为0.736，C01为0.184，D1为0.04，单元类型更为C3D8R（橡胶材料杂交混合单元）。

由于稳定杆的刚度特性，其边界条件的输入必须是基于有限元法的悬架动力学仿真计算出的，故在有限元模型生成后会立即做稳定杆（不带衬套）模态柔性体输出，将密度单位乘以1 000换算成Tonne公吨进制，与ADAMS单位制匹配，生成可读*.mnf文件，仿真出反向轮跳值。

设置开启Nlgeom=Yes大变形非线性求解，载荷加载采用强迫位移法，边界条件如表5所示，工况步如表6所示。