关键词：减震器支架； 焊接; 疲劳寿命

前言

汽车道路试验中最常见的结构失效常常发生在焊缝处。 如何定量地进行结构疲劳可靠性验证是目前国内主机厂面临的问题。 因此，开发准确的焊缝疲劳曲线变得十分迫切。 此外，整车多体动力学下的多工况载荷分析也越来越受到各大汽车厂商的重视。 可为汽车悬架结构的疲劳强度分析和验证提供可靠的载荷输入，最大限度地降低汽车结构件的风险。 开发设计风险。

文献[1]采用多体动力学方法提取汽车下摆臂的载荷值，获得结构在不同工况下的应力分布，为下摆臂的疲劳寿命提供综合分析方法。降低摆臂，实现结构优化。 旨在提高疲劳寿命。 文献[2]采用有效的焊缝分析方法对某商用车焊接结构进行疲劳寿命分析，取得了预期结果。 文献[3]建立了汽车后悬架多体动态刚柔耦合模型，全面分析了后悬架系统关键结构的受力情况。 通过对比道路试验数据和动态仿真数据对模型进行了验证。 该方法的可靠性。

本文开发了焊缝疲劳曲线，通过建立整车多体动力学模型提取了悬架硬点处的载荷，并建立了减震器支架的有限元模型进行疲劳分析和强度分析验证重现路试失效模式。 改进后的减震器支架通过实车道路试验进行验证，验证多工况下结构焊缝疲劳和强度分析在底盘结构设计中的适应性和可靠性。

1 焊缝疲劳曲线测试

汽车焊接结构件通常为薄板件，常见失效常发生在焊接热影响区。 该区域的失效为焊接疲劳失效。 汽车焊缝疲劳性能分析的关键是获得准确的焊缝疲劳性能参数。 目前，汽车行业常用的焊缝疲劳分析方法主要包括等效结构应力（SN）法[4]和热影响区（HAZ）法。 ） 方法。 等效结构应力法根据有限元分析结果提取焊缝节点力，并将其转换为等效结构应力进行寿命评估。 具有无网格依赖性、计算结果稳定等优点。 因此，本文将采用等效结构应力法。 采用有效结构应力法设置焊缝疲劳性能参数。

由于本文失效结构件主要承受竖向载荷，因此焊缝疲劳试验主要为拉压疲劳试验。 国内外尚无统一的焊缝疲劳试验标准。 根据相关工程经验设计的测试样例如图1所示。

图1 立焊缝试样

为了测试焊缝样品的疲劳寿命参数，搭建了相应的焊缝疲劳性能台架试验台，如图2所示，该台架应包括刚性立柱、位移传感器和MTS液压执行器。 位移传感器用于监测焊接是否失败。 每组单独焊缝试样的台架试验载荷分别为±4.5、±5.5 和±6kN。 考虑到实际焊接工艺的影响，每个载荷组测试20个样品，将检测到可见焊缝裂纹时的试验载荷次数作为焊缝疲劳寿命值。

图2 焊缝试样疲劳性能台架试验

结构疲劳寿命的理论基础是一门基于统计学的学科。 在实际工程应用中，单纯追求疲劳寿命的绝对值是不现实的。 疲劳寿命往往是一个统计值，具有一定的可靠性。 根据图1和图2进行大量焊接样品试验并反复对试验数据和有限元模拟数据进行对标后，各种板材的焊接试验样品厚度范围为2～6mm。 这个厚度范围基本上包括了汽车底盘的大多数结构件[5]，拟合出具有一定最终可靠性的焊缝疲劳性能曲线，为解决后续失效问题提供准确的材料参数。 典型的焊缝疲劳分析流程[6]如图3所示。

图3 焊缝疲劳分析流程图

2 悬架载荷预测

后悬架系统包括弹簧、减震器、扭杆梁后轴及衬套等，其数学模型如图4所示。

图4 后悬架结构示意图

底盘部件耐久性和强度评估的一个重要输入是每个连接点的负载。 为了准确获得悬架硬点载荷，根据图4后悬架数学模型和整车相关参数，建立后悬架多体动力学模型。 如图5所示，由于该车型的后悬架为扭杆梁半独立悬架，因此这里的扭杆梁采用超级单元进行等效处理。

图5 后悬架多体动力学模型

根据美国通用汽车公司对悬架工况的定义，前后悬架工况是分开计算的。 后悬架工况如表1所示。后减震器与后桥连接处的载荷输出如图6所示。

表1 后悬架工况

图6 减震器支架载荷（车辆坐标系Z方向）

悬架工况分为耐久性工况和强度工况。 从图6载荷值曲线可以看出，耐久性工况的最大值出现在工况4，载荷大小为83 274N，强度工况的最大值出现在工况7，负载大小为 17 748N。

3 减震器支架路试不合格

3.1 失效模式

在广德试验场进行发展中国家道路试验标准的道路试验时，发现后悬架减震器支架焊缝出现裂纹，最终导致支架外管断裂，如图7所示。焊缝热影响区裂纹沿焊缝边缘扩展直至断裂，故可判定该失效为焊接疲劳失效。 另外，失效部位存在一定程度的塑性变形，初步判断支架的结构强度性能存在一定的潜在风险。 后续分析将进一步验证这一点。

图7 阻尼器支架失效模式

3.2 故障原因初步分析

汽车道路试验中的道路载荷复杂多变。 汽车道路试验中减震器部件失效是常见现象，主要失效形式是结构疲劳耐久性[7-8]。 后悬架减震器类似于二力杆，主要承受拉伸载荷和压缩载荷。 从图6可以看出，减震器支架主要是受压的。 支架刚度不足会引起结构变形，造成焊件应力集中，降低焊缝疲劳寿命。 支架的刚度主要取决于结构特点，这里主要是支架的厚度。 此外，当承受极端的外部载荷时，支架的结构强度也会对焊缝的可靠性产生影响。 如果强度不足，结构将发生永久变形，导致焊缝处平均应力增大，疲劳寿命降低。

4 优化方案选择

4.1 焊缝疲劳耐久性分析

要进行焊缝疲劳分析，首先要建立减震器支架的有限元模型。 使用壳单元模拟焊缝，使用实体六面体网格划分壳体，使用RB3简化支架内部衬套，并固定减震器顶部。 完整的焊缝疲劳分析有限元模型如图8所示。

图8 焊缝疲劳分析有限元模型

考虑到结构改进的成本和可行性要求，要求优化方案对整体后悬架结构的影响尽可能小。 这里通过支架厚度和材料的优化来分析焊缝疲劳寿命的提高。 相应的方案组合如表2所示。

表2 方案组合

根据图6载荷曲线提取减振器承载能力并结合表2方案组合进行焊缝疲劳寿命分析，结果见表3（仅列出危险工况） ）。 表中的数值（寿命值）代表预测寿命与设计要求的比值。

表3 焊缝疲劳寿命（寿命值）

从表3可以看出，焊缝的疲劳寿命与支架的厚度有关，与支架选用的材料牌号无关。 当支架厚度为3.0mm时，焊缝在3～5工况下的疲劳寿命小于1，不能满足疲劳要求。 当支架厚度为4.5mm时，最小焊缝疲劳寿命为3.47寿命值，满足设计要求（考虑到实际焊缝疲劳寿命的离散性，工程中疲劳寿命失效问题的改进通常要求优化后的寿命相对于原设计至少提高了10倍，本文改进后的最小焊缝寿命3.47比原设计最小寿命0.22提高了约15倍，且大于1。可以判断4.5mm改进方案是有效的），原设计方案焊缝疲劳寿命云图如图9所示。

图9 左轮跳动工况焊缝疲劳寿命云图

从图9可以看出，原设计方案的失效位置与路试失效位置一致，最小寿命为0.22寿命值，基本相当于路试里程百分比，验证了有效性这个方法。

4.2 结构非线性强度分析

悬架结构件的强度性能是指汽车在极端外载荷作用下保持悬架结构系统性能稳定性的能力。 对于减震器支架来说，是结构本身的抗变形能力。 结构非线性强度分析模型采用图8的有限元模型，并考虑材料非线性和几何非线性因素。 采用极限载荷工况7，载荷为15 921N，施加在衬套弹性中心点，如图10所示。按照表2方案进行强度分析的结果如图11所示。

图10 减震器弹性中心点

图11 装载机支架强度工况下的应力分布云图及变形

从图11可以看出，原设计方案存在较大的永久变形量，导致焊缝疲劳寿命明显降低。 当支架厚度为4.5mm时，结构应力较3mm厚度显着降低。 极限荷载作用下各方案组合的结构变形如图12所示。

图12 支架变形曲线（工况15→工况7）

从图12可以看出，当使用15#钢3.0mm厚的支架时，支架不能承受最大压力15 291N（仅加载到最大载荷的95%时就会变得不稳定），并且变形过大导致直接失效； 采用20#钢3.0mm厚的支架情况下，极限工况下变形减少至1mm，但应力值并没有明显改善（从图11可以看出结构疲劳寿命分析，最大应力值在故障点从 555 减少到）； 对于厚度为4.5mm（15#钢、20#钢）的支架即可满足强度和疲劳要求，因此改进方案可以采用该厚度的支架来增加焊缝的疲劳寿命，提高其结构强度性能。 在随后的路试中支架并未出现失效和裂纹，验证了方案的改进有效性。

5 结论

(1)通过焊缝试验样品建立焊缝疲劳分析曲线，为疲劳分析提供量化指标结构疲劳寿命分析，保证后续改进方案的可靠性。

(2)建立了后悬架多体动力学模型，为焊缝疲劳分析和结构强度验证提供了可靠的载荷输入，保证了分析结果的有效性。

(3)采用该基于实测焊缝疲劳曲线与悬架载荷预测相结合的方法，将有助于悬架结构件的精确验证，为悬架结构件的失效改进和新型号悬架的开发验证提供依据。 全新的设计理念。

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