重型卡車車架縱梁復(fù)合型裂紋擴(kuò)展失效分析
摘要：對疲勞試驗(yàn)后所獲得的斷裂的重型載貨卡車車架縱梁進(jìn)行了失效分析研究。觀察到的斷裂發(fā)生在轉(zhuǎn)矩桿連接到車輛的后驅(qū)動橋內(nèi)的車架上。這一部分的車架經(jīng)歷了多軸加載條件，在道路載荷下包括平面外彎曲，扭轉(zhuǎn)和剪切作用。金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)力集中區(qū)的開孔邊緣存在微裂紋。這種制造缺陷造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。通過對一個整車模型上加載動載荷，完成了在車架縱梁上的裂紋擴(kuò)展的模擬，經(jīng)過分析后得出結(jié)論，發(fā)生故障的原因是由于在車架高應(yīng)力位置鉆孔時產(chǎn)生小裂紋萌生，這導(dǎo)致了在車輛動載荷下產(chǎn)生大量的曲線裂紋擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：疲勞 車架縱梁失效 模擬裂紋擴(kuò)展 斷裂 有限元分析
1 介紹
重型卡車車架的失效通常包括I/II/III 復(fù)合模式下的裂紋擴(kuò)展，因?yàn)檐囕v荷載是高度非線性的，多軸向的大變形行為。這與許多文獻(xiàn)報(bào)道的復(fù)合型裂紋擴(kuò)展問題相似[ 1-9 ]。車架構(gòu)件處裂紋的擴(kuò)展是重要的研究，因?yàn)樵谶_(dá)到臨界裂紋長度時可能會導(dǎo)致車輛的完全失效,這可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的交通事故和生命的損失。雖然目前對車輛進(jìn)行日常檢查，以檢測和維修/更換疲勞裂紋組件，但是能夠在不同的負(fù)載條件下更好地預(yù)測裂紋路徑和方向的能力，可以幫助避免昂貴的損失和改善設(shè)計(jì)使之具有更好的耐久性。
在本工作中,對車架縱梁處裂紋進(jìn)行了失效分析。通過仔細(xì)的宏觀和微觀觀察,發(fā)現(xiàn)引起裂紋的主要原因是由于鉆孔位置接近已有的螺栓孔。鉆孔過程中在車架內(nèi)部高應(yīng)力的位置產(chǎn)生小裂紋萌生。FRANC3D裂紋擴(kuò)展仿真工具結(jié)合NASTRAN有限元解算器用于在完整的車輛動載荷作用下模擬仿真車架裂紋的擴(kuò)展。獲得的仿真結(jié)果與物理裂紋路徑和疲勞破環(huán)循環(huán)具有良好的相關(guān)性。?
2 實(shí)驗(yàn)程序
根據(jù)操作類的車輛選擇使用不同的測試活動。圖1提供了一些用于整車驗(yàn)證的疲勞試驗(yàn)示意圖。疲勞試驗(yàn)是在不同速度、不同車輛總重量（GVWR）下進(jìn)行的。這些測試提供了不同的車輛模塊和子系統(tǒng)之間的動態(tài)相互作用，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)干擾和間隙檢查。試驗(yàn)車輛上安裝應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器和加速計(jì)來計(jì)測量在試驗(yàn)過程中車輛的響應(yīng)。試驗(yàn)的數(shù)據(jù)（應(yīng)變，位移和加速度變化過程）是用來驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)數(shù)值模型的開發(fā)。在測試過程中所獲得的損壞將被用來衡量重復(fù)周期以估計(jì)疲勞破壞循環(huán)。在不同的車輛零部件上獲得加速損壞和磨損，然后隨著設(shè)計(jì)的改變將，檢查和研究這些損壞。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 外觀檢查
在整車疲勞試驗(yàn)重復(fù)過程中，每隔幾個試驗(yàn)循環(huán)后進(jìn)行檢查,在某些測試循環(huán)后，在對車輛的后驅(qū)動橋與轉(zhuǎn)矩桿的連接附近檢查時，發(fā)現(xiàn)了車架疲勞裂紋。圖2（a）顯示車輛的布局和在車輛上失效的區(qū)域。在圖2（b）中，顯示的是扭力桿支架通過加強(qiáng)板連接到車架的內(nèi)部。在加強(qiáng)板后部扭力桿支架的兩側(cè)處的車架上有明顯的裂紋擴(kuò)展。在圖2（c）中，加強(qiáng)板通過螺栓連接車架的內(nèi)部與外部部分，拆除加強(qiáng)板以查看裂紋路徑。圖片顯示了在一個已存在螺栓孔附近的開孔，裂縫就是來自這個位置。
圖3（a）顯示了完整的失效區(qū)域，該區(qū)域包括在加強(qiáng)板后面，裂紋沿著一個曲線路徑形成；以及在開孔處存在多個裂紋起源。觀察發(fā)現(xiàn)有2個開孔靠近螺栓孔，在安裝加強(qiáng)板的試驗(yàn)時沒有實(shí)現(xiàn)開孔的存在。中間的開孔似乎并沒有影響裂紋擴(kuò)展，并觀察到它存在于低應(yīng)力區(qū)。圖3（b）是對裂紋面更近距離的觀察，可以看出主要和次要的失效起源。在圖3（b）中，科辨認(rèn)出貝殼狀紋理，這表明為疲勞破壞機(jī)理。
3.2 掃描電鏡觀察
圖4顯示了主裂紋斷裂開始起源于螺栓孔邊緣以及次生裂紋起源于鄰近螺栓孔車架的內(nèi)表面。在圖5（a）中，低倍掃描電鏡圖像顯示的貝殼狀紋理（紅色虛線）表示的疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理。圖5（b）顯示在高倍放大光學(xué)顯微圖像下，由于鉆孔導(dǎo)致在螺栓孔壁處產(chǎn)生裂紋。
利用光學(xué)發(fā)射光譜儀（OES）對車架截面進(jìn)行化學(xué)分析。車架截面的化學(xué)成分與試驗(yàn)要求相一致。車架截面的基材硬度為32HRC洛氏硬度，對于調(diào)制過的低碳鋼，錳鋼，硼鋼來說，這在合理的硬度范圍。
圖1 整車疲勞測試
圖2 （a）整車布局及失效位置；（b）扭力桿連接附近可見的車架裂縫；（c）在外加 固板后的車架上可見的裂紋路徑
圖3 （a）車架截面上的裂紋擴(kuò)展方向；（b）分析失效的根源
圖4 內(nèi)外表面裂紋成因
圖5 （a）掃描電鏡圖像顯示貝殼狀紋理；（b）光學(xué)顯微鏡顯示開孔壁上的裂紋
4 仿真結(jié)果
圖6（a）所示在子模型上，模擬疲勞和裂紋擴(kuò)展的界面應(yīng)力。在整車模型的子模型邊界上定義網(wǎng)格點(diǎn)，表面應(yīng)力施加到所有網(wǎng)格點(diǎn)上。對整車模型進(jìn)行多軸試驗(yàn)，通過瞬態(tài)分析獲得載荷。圖6（b）顯示了在多軸載荷下的位移圖，表示車架的扭轉(zhuǎn)和彎曲情況。
圖7（a）顯示了整車動態(tài)載荷下車架的馮·米塞斯圖。通過物理試驗(yàn)，開孔及裂紋路徑附近的應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度。對測試項(xiàng)目的負(fù)載循環(huán)進(jìn)行疲勞分析，得到的破壞度為“1.1”，而驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是“0.5”。圖7（b）顯示FRANC3D網(wǎng)狀模型與一個小的半橢圓裂紋（0.5毫米）插入開孔的邊緣，且位于高應(yīng)力集中區(qū)。這種表面裂紋在鉆孔過程中，插入的初始裂紋大小在載荷循環(huán)之后，將增長到那個尺寸，所以從鉆孔處開始的裂紋擴(kuò)展是首要關(guān)注的。
圖6 （a）車架截面多軸向加載；（b）多軸載荷下的位移圖
圖7 （a）在車架上得到的米塞斯的壓力曲線；（b）初始裂紋位置FRANC3D模型
圖8 裂紋生長過程顯示裂紋在車架上的擴(kuò)展
在圖8中，裂紋擴(kuò)展的過程表明，在用FRANC3D模擬裂紋生長及利用Nastran進(jìn)行有限元分析之后，每一過程都需要計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）。用于裂紋擴(kuò)展模擬的載荷，來源于整車響應(yīng)動態(tài)加載，選擇持續(xù)振幅疲勞模擬三維裂紋擴(kuò)展。利用應(yīng)變能釋放率法確定了裂紋角。著名的“帕里斯公式”是用于疲勞增長率模型，帕里斯公式的回歸系數(shù)可從車架供應(yīng)商處獲得[ 10 ]。用交互積分（M-積分）方法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF），包括裂紋面接觸和裂縫壓力的影響。
5 討論
基于外觀檢查和金相檢驗(yàn)證實(shí),車架縱梁上的曲線裂紋擴(kuò)展是疲勞失效，裂紋開裂是由于在車架上質(zhì)量不高的鉆孔。復(fù)合型的應(yīng)力強(qiáng)度因子會影響裂紋路徑。仿真結(jié)果被用來了解故障的根本原因，也可以用作建議對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以防止在重型卡車車架上發(fā)生如此廣泛的疲勞破壞。
損壞的負(fù)載主要是車輛來回轉(zhuǎn)向，這導(dǎo)致在后驅(qū)動橋軸扭力桿擠壓扭力桿支架到車架截面，造成如圖9（a）所示的平面外彎曲。平面外彎曲負(fù)載會導(dǎo)致車架外表面上所有裂紋的開裂，裂紋擴(kuò)展行為以第一模式生長。圖9（b）顯示在平面外彎曲負(fù)載下，過程17時車架上裂紋的開裂(按比例放大10倍)。
圖9 （a）在轉(zhuǎn)彎時車架的平面外彎曲；（b）在彎曲負(fù)載下車架裂紋開裂
圖10顯示了物理試驗(yàn)和基于整車響應(yīng)的三維裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)果裂紋路徑的比較。可以看出，復(fù)合作用下，曲線裂紋路徑模擬與物理試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在模擬結(jié)果中，觀察到的主要裂紋路徑伴隨在高應(yīng)力區(qū)，在模擬過程中沒有考慮次要裂紋路徑。
車架上開孔的初始位置靠近螺栓孔（高應(yīng)力區(qū)），這個敏感性研究的目的是確定改變開孔位置的影響，遠(yuǎn)離開孔初始位置，以確定與高應(yīng)力區(qū)保持一定位置能否防止疲勞失效。在圖11中，顯示了敏感性研究進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代的說明。車架開孔是沿“x”方向多增量，且開孔附近的應(yīng)力分布是已知的。需要注意的是，車架孔通常用液壓和電線開在安裝架上?；诎踩珘勖蛿嗔蚜W(xué)的觀點(diǎn)，這項(xiàng)研究有助于確定不可鉆孔區(qū)域。
圖10 物理試驗(yàn)的車架裂紋和與3D裂紋擴(kuò)展程序的模擬仿真的對比
圖11 車架的開孔位置沿“X”方向的敏感性研究
圖12（a）安全壽命法；（b）損傷容限法對敏感性研究的結(jié)果
車架的疲勞強(qiáng)度（周期為106）是2403μｍ[10 ]，對應(yīng)的應(yīng)力為478 MPa?；趹?yīng)力的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)允許開孔的位置是距離初始位置45㎜處，如圖12（a）所示。然而，斷裂力學(xué)的方法是確保車架孔的可靠位置。
6 結(jié)論
基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論，開孔會在車架的高應(yīng)力區(qū)造成小裂紋開裂，這導(dǎo)致在車輛動荷載作用下產(chǎn)生大量的曲線裂紋增長。FRANC3D裂紋擴(kuò)展工具結(jié)合NASTRAN有限元求解器得到的裂紋路徑與物理測試失效相一致，并且得到了疲勞破壞循環(huán)周期。敏感性研究是為了確定在安全區(qū)域進(jìn)行開孔,這將有助于在車架上指定開孔位置。本工作提供了有效的方法，適用于重型載貨卡車車架縱梁的裂紋故障分析，這也可能適用于其他工程失效分析問題。
致謝
這里介紹的研究部分在美國北卡羅來納州格林斯伯勒地區(qū)沃爾沃北美集團(tuán)底盤車輛動力學(xué)和先進(jìn)的工程計(jì)算組（CVDE）部門進(jìn)行，作者要感謝流程優(yōu)化公司奧馬爾·易卜拉欣博士對這項(xiàng)研究提供FRANC3D程序的支持和許可。
本文出自www.sciencedirect.com網(wǎng)站。