基于虛擬路面的牽引車車架疲勞分析與優(yōu)化

邵林，楊志剛，張偉峰，李凱敏

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

基于虛擬路面的牽引車車架疲勞分析與優(yōu)化

邵林，楊志剛，張偉峰，李凱敏

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

本文建立了某牽引車多體動(dòng)力學(xué)模型，并基于3維虛擬路面，提取了車架接口點(diǎn)的受力時(shí)域曲線。結(jié)合疲勞理論，對(duì)此車架進(jìn)行了疲勞壽命分析。分析結(jié)果表明，此分析方法能有效反映車輛實(shí)際使用中所出現(xiàn)的疲勞問題。在此結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)此車架進(jìn)行優(yōu)化分析，取得了較好效果。

車架；疲勞；虛擬路面；優(yōu)化

CLC NO.:U471.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-31-03

引言

汽車運(yùn)輸由于其“門對(duì)門”的優(yōu)勢(shì)，成為了貨運(yùn)運(yùn)輸?shù)闹饕绞街?，為了保證運(yùn)輸?shù)牟婚g斷，汽車疲勞壽命成為了各大汽車廠商的關(guān)注焦點(diǎn)。汽車疲勞壽命分析的傳統(tǒng)方式是進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，此方式即費(fèi)時(shí)又費(fèi)力[1]。隨著疲勞理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用CAE方法結(jié)合試驗(yàn)對(duì)汽車疲勞進(jìn)行分析與優(yōu)化，成為了主要方式[2]。

因此本文使用CAE方法對(duì)某牽引車車架進(jìn)行了分析與優(yōu)化，并且與此車型的實(shí)際使用情況進(jìn)行對(duì)比，得到此車型車架的疲勞薄弱部位，對(duì)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，之后再次進(jìn)行分析，得到優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)，并且滿足使用要求。

1、多體動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)前期測(cè)試得到的整車參數(shù)，包括整車軸荷參數(shù)、硬點(diǎn)坐標(biāo)、車輪定位參數(shù)、彈性阻尼元件特性和零部件質(zhì)量等，使用Adams/Car建立多體動(dòng)力學(xué)模型，其中包含:車架、前懸架系統(tǒng)、平衡懸架系統(tǒng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)、傳動(dòng)系、駕駛室及懸置、掛車等，車架和前軸使用柔性體建模；調(diào)整各子系統(tǒng)的質(zhì)量和質(zhì)心，使得各系統(tǒng)質(zhì)量和質(zhì)心與測(cè)試結(jié)果保持一致，進(jìn)而使得整車質(zhì)量、質(zhì)心、簧上質(zhì)量和軸荷與測(cè)試結(jié)果保持一致。各橡膠襯套使用bushing單元模擬，剛度值和阻尼值使用測(cè)試得到的數(shù)值。同時(shí)在各接口點(diǎn)處創(chuàng)建相應(yīng)的request，以輸出車架各接口點(diǎn)處點(diǎn)受力曲線。

2、運(yùn)行工況

經(jīng)過調(diào)研，此車型在實(shí)際使用過程中，運(yùn)行的路面包括土石路、普通公路和國道高速，三者比例分別為:5%、35%和60%，分別按照國標(biāo)GB 7031-86中等級(jí)路面C級(jí)、B級(jí)和A級(jí)路面進(jìn)行模擬。因此按照國標(biāo)規(guī)定，制作得到的部分等級(jí)路面如圖所示。

3、載荷提取

為了計(jì)算車架的疲勞，需要提取車架各接口點(diǎn)受力時(shí)域曲線，即載荷譜[3]。此車型常用車速為60km/h，因此，以60km/h的車速分別在等級(jí)路面為A、B和C的路面上運(yùn)行30秒，得到行駛里程500米的載荷信號(hào)，之后提取車架各接口點(diǎn)的受力，下圖為板簧前卷耳Z向受力曲線示意。

4、疲勞分析與優(yōu)化

4.1 疲勞分析

影響疲勞分析結(jié)果的因素有材料疲勞特性、零部件應(yīng)力分布和載荷譜，其中S-N曲線是衡量材料疲勞性能的一個(gè)重要參數(shù)，獲取一條完整的S-N曲線需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本[4]，因此本文使用FEMFAT軟件中的S-N曲線生成器計(jì)算得到相應(yīng)材料的S-N曲線，如圖4所示為縱梁材料590L的S-N曲線。

為了得到零部件應(yīng)力分布情況，需要進(jìn)行單位力加載分析，因此對(duì)此車架進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分[5]，并做相應(yīng)連接，之后采用Radioss線性模塊進(jìn)行分析。在每個(gè)接口點(diǎn)上分別施加6個(gè)方向的單位載荷（3方向力及3方向扭矩），使用“慣性釋放”方法進(jìn)行約束，得到每個(gè)單位力作用下，車架的應(yīng)力分布結(jié)果。

基于車架單位力工況下的應(yīng)力分析結(jié)果，結(jié)合時(shí)域載荷曲線，使用FEMFAT軟件的ChannelMax模塊進(jìn)行疲勞分析，得到車架疲勞分析結(jié)果，如圖5至7所示，分別為A、B和C級(jí)路面下，車架的疲勞分布情況。

結(jié)果顯示三個(gè)等級(jí)路下，薄弱位置均發(fā)生在駕駛室后懸支架與車架連接處。在A級(jí)路面下，如圖5所示，車架的最小疲勞次數(shù)為400萬次，對(duì)應(yīng)的行駛里程為200萬公里，按照調(diào)研結(jié)果，A級(jí)路面下，最小行駛里程為60萬公里，因此，此車架滿足A級(jí)路面的使用要求；

在B級(jí)路面下，車架的薄弱部位發(fā)生在駕駛室后懸支架與車架連接處和管梁兩端連接處，如圖6所示，最小疲勞次數(shù)為25640次，對(duì)應(yīng)的行駛里程為12820公里，按照調(diào)研結(jié)果，B級(jí)路面下，最小行駛里程為35萬公里，因此，此車架不滿足B級(jí)路面的使用要求；

在C級(jí)路面下，車架的薄弱部位發(fā)生在駕駛室后懸支架與車架連接處和管梁兩端連接處，如圖7所示，車架的最小疲勞次數(shù)為1474次，對(duì)應(yīng)的行駛里程為737公里，C級(jí)路面的最小里程為5萬公里，因此此車架不滿足C級(jí)路面的使用要求。

搜集此車的實(shí)際使用情況后發(fā)現(xiàn)，多個(gè)車輛在此支架及其與車架連接處出現(xiàn)裂紋，本文分析結(jié)果與實(shí)際使用情況基本一致。因此，本文所進(jìn)行的分析方法及結(jié)果，可以有效反應(yīng)此車架的實(shí)際使用情況。

4.2 優(yōu)化分析

分析顯示，車架薄弱部位在駕駛室后懸支架處和管梁兩端，因此經(jīng)過分析，如圖8所示，對(duì)駕駛室后懸支架處（圖中i處）添加加強(qiáng)筋，同時(shí)在此處的縱梁加襯板（圖中ii處），以加強(qiáng)此處縱梁。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析結(jié)果顯示其已經(jīng)滿足A、B和C級(jí)路面使用里程要求，如圖9～11所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5、結(jié)論

本文結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)分析方法和疲勞分析理論，提出了計(jì)算牽引車車架疲勞壽命的思路和方法。

對(duì)某牽引車車架進(jìn)行了疲勞壽命分析，分析結(jié)果與實(shí)際情況一致，最終根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車架進(jìn)行加強(qiáng)，有效地解決了此車架出現(xiàn)的疲勞問題，取得了較好的效果。

[1] 李光攀,過學(xué)迅等.汽車耐久可靠性試驗(yàn)方法[J] 天津汽車 2008年第10期 34～37.

[2] 宋名洋.基于CAE方法車身疲勞耐久性研究[J].機(jī)電技術(shù) 2012年第2期 104～106.

[3] 譚純巖.汽車載荷譜的分析與應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù) 2013 NO.10 39～44.

[4] 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].國防工業(yè)出版社，2003.

[5] 王皎.重型特種車車架強(qiáng)度分析及其輕量化問題研究[D].碩士學(xué)位論文 武漢理工大學(xué) 2009.

The Fatigue Simulation and Optimization of Tractor Frame Based on Virtual Road

Shao Lin, Yang Zhigang, Zhang Weifeng, Li Kaimin
( Automotive Engineering R&D Center, Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

In order to calculate the time-domain loads on the frame interfaces, a multi-body dynamical model of a tractor was created,and based on 3D virtual road. The fatigue simulation of the frame was performed with the fatigue theory.The results showed that using this method could indicate the fatigue problem of frames of real condition.According to the results,the further optimization had been performed and an improved case was delivered.

frame; fatigue; virtual road; optimization

U471.1

A

1671-7988(2015)07-31-03

邵林，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。