1 前言
產(chǎn)品的疲勞壽命是現(xiàn)代設(shè)計的一個重要指標(biāo)。隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的壽命對用戶來說顯得愈來愈重要。與傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計方法相比，疲勞壽命設(shè)計需要了解產(chǎn)品的使用環(huán)境，應(yīng)用現(xiàn)代疲勞理論，并結(jié)合試驗驗證，以確保所需要的設(shè)計壽命。
目前，在產(chǎn)品設(shè)計中已大量使用計算機(jī)仿真技術(shù)，其中的有限元法已經(jīng)成為一種不可缺少的分析工具。根據(jù)有限元獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的疲勞壽命設(shè)計已經(jīng)在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域（如汽車、航空航天和機(jī)器制造等）得到廣泛應(yīng)用。與基于試驗的傳統(tǒng)方法相比，有限元疲勞仿真能夠提供零部件表面的疲勞壽命分布，可以在設(shè)計階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置，通過修改設(shè)計可以預(yù)先避免不合理的壽命分布。因此，它能夠減少試驗樣機(jī)的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，進(jìn)而降低開發(fā)成本，提高市場競爭力。
本文利用安世亞太公司的 疲勞分析軟件FE-Safe對某車架結(jié)構(gòu)的垂直彎曲 疲勞進(jìn)行了分析計算，再現(xiàn)了該車架在垂直彎曲疲勞試驗中出現(xiàn)的問題，提出解決方案。同時利用試驗結(jié)果進(jìn)行對比校核，驗證了本文分析的可信度。
2 車架有限元模型的建立
根據(jù)車架垂直彎曲 疲勞分析與試驗的公司內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，建立光車架有限元分析模型。
2.1 結(jié)構(gòu)離散化
根據(jù)車架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，用薄板單元對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，部分鑄件用實(shí)體單元模擬， 螺栓和鉚釘連接用剛性元結(jié)合梁元來模擬。有限元模型共劃分單元約16萬個，節(jié)點(diǎn)約12萬個。圖2-1為車架有限元網(wǎng)格模型圖。

圖2-1 車架有限元網(wǎng)格模型圖
2.2 材料參數(shù)
車架材料為DFL590，計算時取彈性模量E=210Gpa，泊凇比μ=0.3，UPS=345Mpa。材料的S-N曲線如圖2-2所示。

圖2-2 車架材料的S-N曲線
2.3 分析載荷
2.3.1 靜態(tài)應(yīng)力分析載荷
根據(jù)車架的軸距和前后軸滿載負(fù)荷、裝載質(zhì)量、車輛滿載總質(zhì)量，計算出車架上的加載位置，靜態(tài)應(yīng)力分析所加載荷為：F=5.9KN。
2.3.2 垂直彎曲 疲勞壽命分析載荷
根據(jù)車架的軸距和前后軸滿載負(fù)荷、裝載質(zhì)量、車輛滿載總質(zhì)量，計算出車架上的動態(tài)加載按正弦規(guī)律變化，范圍為：5.9KN～72.9KN，加載頻率為：f=1.1Hz。由于靜態(tài)應(yīng)力分析時已經(jīng)施加了靜載F=5.9KN，因此疲勞分析時載荷變化曲線范圍可取為：1.0～12.36。圖2-3為疲勞壽命分析時采用的載荷變化曲線。

圖2-3 車架垂直疲勞分析載荷

3 疲勞結(jié)果
3.1 疲勞試驗結(jié)果

圖3-1 車架垂直彎曲疲勞試驗裝置
圖3-1 顯示了車架垂直彎曲疲勞試驗裝置。
在疲勞試驗循環(huán)到7.7萬次時，車架縱梁下翼面的某一小孔處出現(xiàn)疲勞開裂。圖3-2為開裂后繼續(xù)循環(huán)造成車架斷裂的圖片。

圖3-2 車架垂直彎曲疲勞斷裂圖片
3.2疲勞分析結(jié)果
利用FE-Safe軟件進(jìn)行疲勞壽命分析計算，得到的疲勞壽命分布圖如圖3-3所示。可以看到，分析計算得到的裂紋初始位置與圖3-2顯示的試驗結(jié)果吻合，開裂小孔附近的循環(huán)壽命為 N1=104.32=20989次和N2=104.94=88163次。
由于判斷疲勞試驗是否需要終止的標(biāo)準(zhǔn)是，肉眼看到明顯的裂紋，對于在裂紋萌生階段的細(xì)小裂縫無法觀測。因而可以判斷在循環(huán)到20989萬次左右時小孔處開始萌生微裂紋，
循環(huán)到8萬多次時會有肉眼所見的開裂，與疲勞試驗所得的7.7萬次相比，相差不大。
去掉該車架下翼面處的小孔后，利用FE-Safe軟件重新計算疲勞壽命。圖3-4為新方案的車架疲勞壽命分布圖。原車架下翼面小孔處的循環(huán)壽命達(dá)到16萬次，有明顯的提高。

通過重新對新方案車架進(jìn)行垂直彎曲疲勞試驗，結(jié)果達(dá)到該項試驗的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3-3 車架垂直彎曲疲勞壽命分析結(jié)果

圖3-4 新方案車架垂直彎曲疲勞壽命分析結(jié)果
4 結(jié)論
疲勞分析得到的壽命分布與試驗結(jié)果吻合的比較好，壽命大小與試驗結(jié)果略有出入，這一方面是由于疲勞試驗中采取用肉眼觀察方法判斷開裂時存在誤差，另一方面由于本次疲勞分析時沒有進(jìn)行更進(jìn)一步的微裂紋產(chǎn)生后的裂紋擴(kuò)展分析，以及分析模型與試驗樣車間的差異等。