車架彎扭組合臺(tái)架疲勞試驗(yàn)仿真

張誠(chéng) 劉道勇 王輝 丁培林 劉宗晟

摘要：為考慮商用車車架總成在用戶使用中受扭轉(zhuǎn)時(shí)的工況，臺(tái)架試驗(yàn)引入了車架軸間扭轉(zhuǎn)角參數(shù)。利用車架軸間扭轉(zhuǎn)角度加載就可以利用室內(nèi)車架疲勞試驗(yàn)臺(tái)架盡可能的模擬車架的實(shí)際工況。然而在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，臺(tái)架試驗(yàn)與CAE分析模型簡(jiǎn)化上的差異，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。本文為提高仿真的精度，建立了盡可能與試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢碌姆抡婺Ｐ?。在建立臺(tái)架仿真的模型時(shí)，考慮前后懸連接方式對(duì)車架的影響，在需要特別關(guān)注的部位設(shè)置了接觸，同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料的塑性性能。利用Abaqus有限元軟件完成了車架仿臺(tái)架扭轉(zhuǎn)分析，得到了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，然后將應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到疲勞軟件，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的損傷和壽命。得到結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合，一致性較高。

關(guān)鍵詞：車架;臺(tái)架試驗(yàn);仿真;疲勞

中圖分類號(hào)：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2018） 02-0062-06

1 引言

在對(duì)某商用車底盤車架進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)中，出現(xiàn)車架開(kāi)裂。然而車架開(kāi)裂位置與疲勞耐久分析結(jié)果存在較大差異，對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)和簡(jiǎn)化的CAE分析模型，發(fā)現(xiàn)CAE模型在模型簡(jiǎn)化中存在較多的問(wèn)題。對(duì)于前懸結(jié)構(gòu)，原始模型對(duì)夾具采用剛性單元建模，沒(méi)有考慮實(shí)際夾具的柔性;對(duì)于后懸結(jié)構(gòu)，原始模型只考慮了板簧，而忽略了后橋、V型推力桿和直推桿結(jié)構(gòu)的影響，這些結(jié)構(gòu)對(duì)車架的整體剛性有非常大的影響;對(duì)于加載壓板，原始模型忽略了壓板本身對(duì)結(jié)果的影響，未考慮建立壓板模型;對(duì)于橫梁連接板和縱梁的連接，原始模型只考慮了螺栓的連接，卻忽略了車架縱梁和橫梁連接板之間的接觸關(guān)系。

本文完全依照試驗(yàn)條件，建立車架臺(tái)架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的有限元模型，考慮了彎、扭組合工況下結(jié)構(gòu)的幾何非線性，材料的塑性，以及關(guān)鍵部位的接觸，利用Abaqus解車架應(yīng)力分布，并將Abaqus的結(jié)果文件導(dǎo)入疲勞分析軟件，得到車架結(jié)構(gòu)的損傷和壽命，并與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，得到了較為滿意的結(jié)果。

2分析模型

2.1前懸架總成模擬

在臺(tái)架試驗(yàn)中，固定車架的鋼梁在加載中會(huì)產(chǎn)生柔性變形，因此需對(duì)鋼梁用梁?jiǎn)卧M，截面尺寸模擬與實(shí)際情況一致。而對(duì)于加載鋼梁和支撐吊耳鋼梁之間的支架，由于其剛性較大，故簡(jiǎn)化用剛性單元模擬。懸架連接點(diǎn)的自由度釋放與試驗(yàn)狀態(tài)一致，旋轉(zhuǎn)副約束平動(dòng)自由度，鉸鏈釋放單向轉(zhuǎn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)加載方式與試驗(yàn)一致在鋼梁的一端施加強(qiáng)制位移。

2.2后懸架總成模擬

本文建立了包含后橋推力桿等結(jié)構(gòu)后懸總成的有限元模型。圖3為簡(jiǎn)化后懸模型、仿臺(tái)架試驗(yàn)后懸模型和實(shí)際后懸結(jié)構(gòu)的對(duì)比。

在仿臺(tái)架試驗(yàn)的最終模型中，鋼板彈簧用SPRINGJ2單元模擬，剛度與實(shí)際一致;V型推力桿和直推桿用梁?jiǎn)卧M，且保證梁?jiǎn)卧慕孛嫘螤钆c實(shí)際結(jié)構(gòu)的截面形狀一致。對(duì)于車橋，由于其不是重點(diǎn)關(guān)心的區(qū)域建立其有限元模型會(huì)占用非常多的計(jì)算資源，且其相對(duì)于車架結(jié)構(gòu)剛性很大，因此用梁?jiǎn)卧獊?lái)對(duì)車橋進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬，設(shè)置梁?jiǎn)卧膭偠群艽?，認(rèn)為其是剛性的。在有限元模型中保證所有的硬點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際狀態(tài)一致，且所有連接點(diǎn)的自由度釋放與實(shí)際狀態(tài)一致。

2.3關(guān)鍵部位接觸模擬

在仿真計(jì)算中按照實(shí)際情況設(shè)置接觸可以提高結(jié)果的精度，但同時(shí)也會(huì)極大的增加計(jì)算成本。因此，本文只需對(duì)關(guān)鍵部位設(shè)置接觸，如圖4所示。

通過(guò)扭轉(zhuǎn)工況下的變形和應(yīng)力分布，可以確定第二橫梁附近為扭轉(zhuǎn)變形的過(guò)渡區(qū)域，因此需在此區(qū)域建立縱梁與橫梁連接板之間的接觸。同時(shí)壓板與車架之間只考慮螺栓連接與實(shí)際差異較大，因此也設(shè)置了接觸屬，如圖4所示。

2.4材料的塑性特性

在車架臺(tái)架強(qiáng)扭試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)塑性變形，因此，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需考慮材料的塑性特性。本文有限元模型共涉及10種材料，其中縱梁、橫梁及一些關(guān)鍵的鑄件給定了材料的塑性。本文基本材料特性由供應(yīng)商提供。利用單向拉伸試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，往往都是名義應(yīng)變和名義應(yīng)力，在ABAQUS軟件中，需要用真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變來(lái)定義塑性。在ABAQUS的數(shù)據(jù)輸入中，需利用公式將名義應(yīng)力應(yīng)變通過(guò)公式轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變。本文考慮材料為雙線性彈塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，ABAQUS中的材料輸入見(jiàn)下表1。

2.5邊界條件

本文邊界條件按照臺(tái)架試驗(yàn)的方式加載，如圖5，在扭轉(zhuǎn)鋼梁的端點(diǎn)施加沿Z向的強(qiáng)制位移，保證車架扭轉(zhuǎn)角度為+/-5.5。，車架壓板施加17.6KN垂向力在加載壓板上，壓板與車架通過(guò)四個(gè)螺栓相連。

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1后懸模型對(duì)結(jié)果的影響

上一章中提到的影響因素在最初的有限元模型中均未考慮，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差距很大，應(yīng)力值極大，考慮了后懸結(jié)構(gòu)后，結(jié)果應(yīng)力的大小和分布都發(fā)生了變化。初始模型和考慮后懸總成的結(jié)果對(duì)比如圖6。

其中上側(cè)為初始模型，下側(cè)為考慮后懸總成模型。從對(duì)比結(jié)果可以看出，考慮后懸總成后的模型，最大應(yīng)力值明顯下降，從3251MPa下降至2377MPa，高應(yīng)力區(qū)的位置也發(fā)生了轉(zhuǎn)移，應(yīng)力位置與試驗(yàn)狀態(tài)更為接近。

3.2前懸模型對(duì)結(jié)果的影響

在考慮后懸總成的基礎(chǔ)上，對(duì)前懸模型進(jìn)行修正，考慮夾具的柔性后，車架縱梁的應(yīng)力值進(jìn)一步下降，最大應(yīng)力降至1310 MPa，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。高應(yīng)力區(qū)位置更接近疲勞試驗(yàn)的開(kāi)裂區(qū)域。

3.3材料非線性對(duì)結(jié)果的影響

根據(jù)前文的分析結(jié)果，縱梁最大應(yīng)力高達(dá)1310MPa，明顯超出材料的屈服強(qiáng)度，因此在計(jì)算中未得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，必須考慮材料的塑性特性，對(duì)縱梁結(jié)構(gòu)考慮材料的非線性因素后，縱梁最大應(yīng)力降至551 MPa，見(jiàn)圖8。

只考慮縱梁的材料非線性會(huì)導(dǎo)致橫梁的應(yīng)力明顯增大，也會(huì)超過(guò)屈服強(qiáng)度，因此對(duì)于橫梁也需要考慮其材料的塑性性能?？紤]橫梁材料非線性后高應(yīng)力區(qū)結(jié)果見(jiàn)圖9。

設(shè)置橫梁材料的非線性特性后，縱梁最大應(yīng)力升高至653 MPa。由此可見(jiàn)，材料的非線性對(duì)結(jié)果有極大的影響，在最終的模型中.所有的縱梁橫梁，以及關(guān)鍵鑄件都考慮了材料的非線性。

3.4考慮接觸和連接自由度對(duì)結(jié)果的影響

在上述模型的基礎(chǔ)上，對(duì)高應(yīng)力區(qū)的縱梁和橫梁連接板之間以及壓板與縱梁之間都設(shè)置了接觸屬性。同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)副、鉸鏈等連接處的自由度進(jìn)行了修正，得到了最終的計(jì)算結(jié)果。車架縱梁上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第二橫梁連接的螺栓孔附近，最大應(yīng)力值691 MPa，縱梁的應(yīng)力結(jié)果云圖如圖10所示。

4 疲勞仿真結(jié)果對(duì)標(biāo)

疲勞壽命的計(jì)算需要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果和材料的S-N曲線。結(jié)構(gòu)的循環(huán)工況的應(yīng)力可以通過(guò)上述的靜力學(xué)仿真得到，為降低疲勞分析的計(jì)算量，可以只輸出應(yīng)力高的關(guān)鍵部位結(jié)果，本文在疲勞計(jì)算中只輸入了縱梁在第二橫梁附近的一段車架應(yīng)力結(jié)果到疲勞軟件中計(jì)算?？v梁材料的S-N曲線通過(guò)升降法得到，縱梁材料的S-N試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下圖11。

通過(guò)試驗(yàn)可得到縱梁材料50%存活率時(shí)S-N擬合曲線。在疲勞計(jì)算中創(chuàng)建疲勞工作循環(huán)，一個(gè)工作循環(huán)中包括+/-5.5。加載的兩個(gè)工況組合，計(jì)算一個(gè)循環(huán)內(nèi)的損傷值即可得到車架熱點(diǎn)應(yīng)力的壽命。為驗(yàn)證本文模型的正確性，本文將各種建模方式下的熱點(diǎn)應(yīng)力壽命均進(jìn)行了分析，各模型在縱梁彎扭組合工況下疲勞仿真的壽命結(jié)果見(jiàn)下表2。

表2中，各熱點(diǎn)應(yīng)力的位置見(jiàn)圖12。

表2中，模型的考慮因素為后續(xù)模型包含前模型的，即最終模型考慮了上述所有的因素。從表2中也可看出，不同模型的計(jì)算結(jié)果疲勞預(yù)測(cè)的壽命以及最低壽命的部位均有較大差異，各模型的壽命對(duì)比如圖13。

對(duì)于最終模型，疲勞軟件預(yù)測(cè)縱梁最低壽命位置，出現(xiàn)在車架縱梁與第二橫梁連接的螺栓孔附近，即圖12中2號(hào)區(qū)域，且壽命為109502次。該位置與臺(tái)架試驗(yàn)裂紋出現(xiàn)的位置一致，見(jiàn)圖14，且該裂紋出現(xiàn)在臺(tái)架試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)9.78萬(wàn)次時(shí)。最終模型的疲勞仿真的預(yù)測(cè)結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本一致。這也說(shuō)明了在對(duì)車架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)進(jìn)行仿真時(shí)，前文涉及到的考慮因素都是很有必要的，通過(guò)前文方式對(duì)模型進(jìn)行修正可提高計(jì)算的精度

臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果也驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于車架縱梁結(jié)構(gòu)，在折彎處最容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此，在車架縱梁的折彎處禁止打孔，而此次臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)裂紋位置雖不在折彎處，但也是出現(xiàn)在離折彎處最近的孔位上，在折彎處建議加強(qiáng)，同時(shí)在此處螺栓安裝時(shí)也需要格外注意。

5結(jié)束語(yǔ)

本文為得到較高精度的疲勞仿真結(jié)果對(duì)模型的建立進(jìn)行了大量的摸索和比較，對(duì)模型的反復(fù)修正使得計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果更加吻合。為佐證本文仿真分析模型的準(zhǔn)確性，本文也與其他一切研究者的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，其中鄧祖平在對(duì)輕卡車架有限元分析和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比中就提到，后橋結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化以及加載方式的差異導(dǎo)致應(yīng)力集中誤差較大。洪學(xué)臣在對(duì)車架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證中，考慮了試驗(yàn)夾具對(duì)仿真結(jié)果的影響，成功預(yù)測(cè)了車架試驗(yàn)開(kāi)裂部位，但其只進(jìn)行了強(qiáng)度分析，計(jì)算了高應(yīng)力區(qū)還無(wú)法預(yù)測(cè)車架疲勞壽命。

本文利用Abaqus軟件對(duì)某商用車車架臺(tái)架扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了仿真分析，各種模型處理方式的結(jié)果表明，在建立車架模型時(shí)，除建立車架結(jié)構(gòu)模型外，還需考慮前后懸結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)夾具等對(duì)結(jié)果的影響，前懸?jiàn)A具材料如果在加載中存在柔性變形，則在建模時(shí)需建立其柔性體模型;后懸結(jié)構(gòu)包括推力桿、后橋等當(dāng)剛度遠(yuǎn)大于車架剛度時(shí)，可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，但連接處的位置和自由度釋放必須保證與實(shí)際情況一致。對(duì)于結(jié)構(gòu)中的一些關(guān)鍵部位，如果存在接觸關(guān)系需在仿真分析時(shí)考慮接觸來(lái)提高計(jì)算精度。

本文通過(guò)對(duì)多種建模方式的對(duì)比，總結(jié)得到了一套精度較高的車架臺(tái)架疲勞試驗(yàn)仿真建模方式，并利用疲勞分析軟件估算了車架扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，仿真計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果吻合度較高，為后續(xù)的臺(tái)架試驗(yàn)的仿真計(jì)算提供了參考和借鑒。