汽车转向拉杆疲劳分析

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1、汽车转向拉杆疲劳分析SeungK.Koh*韩国，群山大学，车辆工程学院，全罗北道群山市邮编：573-701摘要关键词：疲劳寿命转向拉杆有限元分析低周循环疲劳进行有限元分析的主要目的是防止转向拉杆疲劳失效并预测它的疲劳寿命，这对汽车的安全非常重要。从转向系取出的拉杆样本用于静载拉伸试验和应变可控的低周循环疲劳试验，这样可以测试出在静应力和低周循环应力下拉杆材料的性能。有限元分析是为了确定转向拉杆局部区域的应力和应变分布。一些关键位置的应变通过应变片试验测定，用来验证有限元分析的准确性。在转向拉杆的弯曲区域，有限元分析的局

2、部应变与试验测的应变存在8%的误差。由STKM12C碳钢制成的转向拉杆表现出周期软化现象。在循环应力下的屈服强度比静应力下的屈服强度大约低25%。如有限元应力分析所预期的那样，疲劳源发生在转向拉杆的弯曲区域，裂纹通过圆截面扩展到拉杆的另一侧，最终导致了断裂。1.引言在汽车运行过程中，汽车的零部件受到了循环冲击载荷，导致疲劳源和局部损伤的裂纹扩展，产生裂缝。疲劳失效阻止了零部件发挥其正常的功用，是引发汽车安全的关键问题[1]。因此，为了保证汽车不致于疲劳失效，在汽车行业中，由零件构成的组件都进行了耐久性测试。最近，在汽车

3、早期开发阶段，疲劳设计和耐久性分析已经应用于底盘系统，如动力传输，悬架，转向和制动，这些对汽车安全非常重要[2-4]。转向系统中的拉杆是位于转向节臂和转向摇臂之间传递转向力的一个组件。转向拉杆如图1所示，由连杆和球节构成。本文中，为了保证转向系中拉杆部件的可靠性，拉杆的疲劳分析包括了拉杆材料的有限元应力分析和低周循环疲劳试验。将拉杆预测的疲劳寿命和试验确定的疲劳寿命进行比较，从而评估疲劳分析的有效性和准确性。图1.转向系中的拉杆部件2.1.材料特性1.1静应力下的性能拉杆由用作结构管材的含碳量为0.12%碳钢（STKM

4、12C）制成。为了研究在静应力下材料的拉伸性能，从拉杆上取下一块厚3mm宽8mm的平面标本。最大加载为100kN的液压材料测试系统，使用加载速率为0.2mm/min进行拉伸测试。材料的机械性能见表1。产生0.2%塑性应变的屈服强度和拉伸强度极限分别为485MPa和535MPa。强度系数K和由回归分析所得的应变硬化指数n分别为942.9MPa和0.1225。静载荷下应力-应变关系数学表达式如下[1]：(1)表1.STKM12C钢的机械性能2.2低周循环疲劳性能预测一个部件的疲劳寿命就必须先规定试验的条件，因为不同周期的载

5、荷，材料表现出不同的特性。循环应力下材料的性能可以通过美国ASTM标准[5]的标准测试样品和步骤测得。因为拉杆的疲劳寿命将在本研究中预测，所以取了直径为5mm的拉杆样本，进行低周循环疲劳测试和应变可控的疲劳测试。从不同程度的恒应力幅的疲劳试验得出循环应力-应变曲线如下[1]：(2)其中K’和n’分别是循环强度系数和循环应变硬化指数。代入循环次数2Nf和对应的应变幅，疲劳寿命方程转化为如下表达：(3)方程[3]中，与低周循环疲劳性能有关参数σ'f，b，ε'f从对数线性回归分析中确定。在总共10份样品中，加载了7种不同的应

6、力幅进行疲劳试验。低周循环疲劳性能见表2。在图2中，可以清楚的观察到循环软化现象。STKM12C钢在循环应力下的屈服强度比静应力下的屈服强度低大约25%。基于方程[3]所得的应变-寿命曲线绘制在图3和图4上。表2.STKM12C钢的低周循环性能图2.STKM12C钢的静载荷和循环载荷应力-应变曲线图3.STKM12C钢应变幅随循环次数变化曲线图4.STKM12C钢的应变-寿命曲线3.应力分析机械和结构件的疲劳寿命取决于材料性能和施加的载荷。比较脆弱的局部区域容易成为疲劳源。因此，为了分析失效原因，评估构件的疲劳性能如疲

7、劳寿命，关键区域的局部应力和局应变，材料对疲劳加载的反应是非常必要的。分析拉杆弹性-塑性应力分布的有限元软件为ABAQUS6.4版，着重分析拉杆失效发生的区域[6]。利用三维二次单元建立的拉杆有限元模型如图5所示。节点和元素的总数分别是25793和5088。图5.静拉伸载荷为10KN的弹性形变分布静拉伸载荷为10KN的弹性形变分布如图5。在图5中，标注的弯曲区域A和B表现出相似的应力水平，可知疲劳源可能在这两个区域产生。拉杆受循环载荷的应力-应变响应曲线可以通过低周循环疲劳试验所确定的循环应力-应变方程[2]来表达。因

8、此，循环应力-应变方程适用于弹性-塑性分析。图6显示了拉杆受到循环载荷为24KN的等效应力分布。在不同的模拟循环应力加载分析中，如图7所示，循环载荷幅值为24KN时，检测到塑性变形包含了0.022%的塑性应变。图6.循环载荷为24KN的等效应力分布图7.循环载荷为24KN的等效塑性应变分布为了验证有限元分析结果，在拉伸载荷为10K