重型卡車(chē)車(chē)架縱梁復(fù)合型裂紋擴(kuò)展失效分析 摘要：對(duì)疲勞試驗(yàn)后所獲得的斷裂的重型載貨卡車(chē)車(chē)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(chē)輛的后驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)的車(chē)架上。這一部分的車(chē)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(kāi)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(guò)對(duì)一個(gè)整車(chē)模型上加載動(dòng)載荷，完成了在車(chē)架縱梁上的裂紋擴(kuò)展的模擬，經(jīng)過(guò)分析后得出結(jié)論，發(fā)生故障的原因是由于在車(chē)架高應(yīng)力位置鉆孔時(shí)產(chǎn)生小裂紋萌生，這導(dǎo)致了在車(chē)輛動(dòng)載荷下產(chǎn)生大量的曲線(xiàn)裂紋擴(kuò)展。 關(guān)鍵詞：疲勞 車(chē)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(chē)車(chē)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?chē)輛荷載是高度非線(xiàn)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(wèn)題相似[ 1-9 ]。車(chē)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(zhǎng)度時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的完全失效,這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的交通事故和生命的損失。雖然目前對(duì)車(chē)輛進(jìn)行日常檢查，以檢測(cè)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(cè)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(duì)車(chē)架縱梁處裂紋進(jìn)行了失效分析。通過(guò)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(guò)程中在車(chē)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(chē)輛動(dòng)載荷作用下模擬仿真車(chē)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(lèi)的車(chē)輛選擇使用不同的測(cè)試活動(dòng)。圖1提供了一些用于整車(chē)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(chē)輛總重量（GVWR）下進(jìn)行的。這些測(cè)試提供了不同的車(chē)輛模塊和子系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)相互作用，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)干擾和間隙檢查。試驗(yàn)車(chē)輛上安裝應(yīng)變計(jì)、壓力傳感器和加速計(jì)來(lái)計(jì)測(cè)量在試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)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(guò)程）是用來(lái)驗(yàn)證新的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)數(shù)值模型的開(kāi)發(fā)。在測(cè)試過(guò)程中所獲得的損壞將被用來(lái)衡量重復(fù)周期以估計(jì)疲勞破壞循環(huán)。在不同的車(chē)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(chē)疲勞試驗(yàn)重復(fù)過(guò)程中，每隔幾個(gè)試驗(yàn)循環(huán)后進(jìn)行檢查,在某些測(cè)試循環(huán)后，在對(duì)車(chē)輛的后驅(qū)動(dòng)橋與轉(zhuǎn)矩桿的連接附近檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)了車(chē)架疲勞裂紋。圖2（a）顯示車(chē)輛的布局和在車(chē)輛上失效的區(qū)域。在圖2（b）中，顯示的是扭力桿支架通過(guò)加強(qiáng)板連接到車(chē)架的內(nèi)部。在加強(qiáng)板后部扭力桿支架的兩側(cè)處的車(chē)架上有明顯的裂紋擴(kuò)展。在圖2（c）中，加強(qiáng)板通過(guò)螺栓連接車(chē)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(gè)已存在螺栓孔附近的開(kāi)孔，裂縫就是來(lái)自這個(gè)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(gè)曲線(xiàn)路徑形成；以及在開(kāi)孔處存在多個(gè)裂紋起源。觀察發(fā)現(xiàn)有2個(gè)開(kāi)孔靠近螺栓孔，在安裝加強(qiáng)板的試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔的存在。中間的開(kāi)孔似乎并沒(méi)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(duì)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(kāi)始起源于螺栓孔邊緣以及次生裂紋起源于鄰近螺栓孔車(chē)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(xiàn)）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(duì)車(chē)架截面進(jìn)行化學(xué)分析。車(chē)架截面的化學(xué)成分與試驗(yàn)要求相一致。車(chē)架截面的基材硬度為32HRC洛氏硬度，對(duì)于調(diào)制過(guò)的低碳鋼，錳鋼，硼鋼來(lái)說(shuō)，這在合理的硬度范圍。 圖1 整車(chē)疲勞測(cè)試 圖2 （a）整車(chē)布局及失效位置；（b）扭力桿連接附近可見(jiàn)的車(chē)架裂縫；（c）在外加 固板后的車(chē)架上可見(jiàn)的裂紋路徑 圖3 （a）車(chē)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(kāi)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(chē)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(duì)整車(chē)模型進(jìn)行多軸試驗(yàn)，通過(guò)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(chē)架的扭轉(zhuǎn)和彎曲情況。 圖7（a）顯示了整車(chē)動(dòng)態(tài)載荷下車(chē)架的馮·米塞斯圖。通過(guò)物理試驗(yàn)，開(kāi)孔及裂紋路徑附近的應(yīng)力超過(guò)材料屈服強(qiáng)度。對(duì)測(cè)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(gè)小的半橢圓裂紋（0.5毫米）插入開(kāi)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(guò)程中，插入的初始裂紋大小在載荷循環(huán)之后，將增長(zhǎng)到那個(gè)尺寸，所以從鉆孔處開(kāi)始的裂紋擴(kuò)展是首要關(guān)注的。 圖6 （a）車(chē)架截面多軸向加載；（b）多軸載荷下的位移圖 圖7 （a）在車(chē)架上得到的米塞斯的壓力曲線(xiàn)；（b）初始裂紋位置FRANC3D模型 圖8 裂紋生長(zhǎng)過(guò)程顯示裂紋在車(chē)架上的擴(kuò)展 在圖8中，裂紋擴(kuò)展的過(guò)程表明，在用FRANC3D模擬裂紋生長(zhǎng)及利用Nastran進(jìn)行有限元分析之后，每一過(guò)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(lái)源于整車(chē)響應(yīng)動(dòng)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(zhǎng)率模型，帕里斯公式的回歸系數(shù)可從車(chē)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(chē)架縱梁上的曲線(xiàn)裂紋擴(kuò)展是疲勞失效，裂紋開(kāi)裂是由于在車(chē)架上質(zhì)量不高的鉆孔。復(fù)合型的應(yīng)力強(qiáng)度因子會(huì)影響裂紋路徑。仿真結(jié)果被用來(lái)了解故障的根本原因，也可以用作建議對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以防止在重型卡車(chē)車(chē)架上發(fā)生如此廣泛的疲勞破壞。 損壞的負(fù)載主要是車(chē)輛來(lái)回轉(zhuǎn)向，這導(dǎo)致在后驅(qū)動(dòng)橋軸扭力桿擠壓扭力桿支架到車(chē)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(huì)導(dǎo)致車(chē)架外表面上所有裂紋的開(kāi)裂，裂紋擴(kuò)展行為以第一模式生長(zhǎng)。圖9（b）顯示在平面外彎曲負(fù)載下，過(guò)程17時(shí)車(chē)架上裂紋的開(kāi)裂(按比例放大10倍)。 圖9 （a）在轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)架的平面外彎曲；（b）在彎曲負(fù)載下車(chē)架裂紋開(kāi)裂 圖10顯示了物理試驗(yàn)和基于整車(chē)響應(yīng)的三維裂紋擴(kuò)展模擬結(jié)果裂紋路徑的比較?？梢钥闯?，復(fù)合作用下，曲線(xiàn)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(guò)程中沒(méi)有考慮次要裂紋路徑。 車(chē)架上開(kāi)孔的初始位置靠近螺栓孔（高應(yīng)力區(qū)），這個(gè)敏感性研究的目的是確定改變開(kāi)孔位置的影響，遠(yuǎn)離開(kāi)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(shuō)明。車(chē)架開(kāi)孔是沿“x”方向多增量，且開(kāi)孔附近的應(yīng)力分布是已知的。需要注意的是，車(chē)架孔通常用液壓和電線(xiàn)開(kāi)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(chē)架裂紋和與3D裂紋擴(kuò)展程序的模擬仿真的對(duì)比 圖11 車(chē)架的開(kāi)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(duì)敏感性研究的結(jié)果 車(chē)架的疲勞強(qiáng)度（周期為106）是2403μｍ[10 ]，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為478 MPa?；趹?yīng)力的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)允許開(kāi)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(chē)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(kāi)孔會(huì)在車(chē)架的高應(yīng)力區(qū)造成小裂紋開(kāi)裂，這導(dǎo)致在車(chē)輛動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生大量的曲線(xiàn)裂紋增長(zhǎng)。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(cè)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(kāi)孔,這將有助于在車(chē)架上指定開(kāi)孔位置。本工作提供了有效的方法，適用于重型載貨卡車(chē)車(chē)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(wèn)題。 致謝 這里介紹的研究部分在美國(guó)北卡羅來(lái)納州格林斯伯勒地區(qū)沃爾沃北美集團(tuán)底盤(pán)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和先進(jìn)的工程計(jì)算組（CVDE）部門(mén)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(duì)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。