基于FEMFAT的某牽引車車架臺(tái)架疲勞分析

劉堯　梁海波　劉成虎　張善玉　葉吉麗

摘 要：本文針對(duì)某牽引車車架在臺(tái)架試驗(yàn)中出現(xiàn)的縱梁局部孔位處開裂的問題進(jìn)行分析，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)以及仿真分析結(jié)果，提出優(yōu)化方案。首先根據(jù)有限元理論以及臺(tái)架試驗(yàn)的邊界條件建立了車架臺(tái)架的有限元模型，并且對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行過程進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，經(jīng)過電測(cè)對(duì)標(biāo)確認(rèn)了模型的精度。然后根據(jù)疲勞分析理論、材料的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，在FEMFAT軟件中建立相應(yīng)的材料參數(shù)以及載荷譜，進(jìn)行疲勞仿真分析，對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)的開裂情況進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。針對(duì)開裂故障提出工藝優(yōu)化辦法，在后續(xù)臺(tái)架試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：牽引車 車架 臺(tái)架試驗(yàn) 疲勞分析

Fatigue Analysis of a Tractor Frame Based on FEMFAT

Liu Yao，Liang Haibo，Liu Chenghu，Zhang Shanyu，Ye Jili

Abstract：This paper analyzes the cracking of the longitudinal beam at the local hole position of a certain tractor frame in the bench test， and proposes an optimization plan based on the results of the bench test and the simulation analysis. Firstly， the finite element model of the frame was established according to the finite element theory and the boundary conditions of the bench test， and the static strength analysis of the bench test operation process was carried out， and the accuracy of the model was confirmed by electrical measurement and benchmarking. Then， according to the fatigue analysis theory and the results of the material fatigue test， the corresponding material parameters and load spectrum are established in the FEMFAT software， and the fatigue simulation analysis is carried out to reproduce the cracking situation in the bench test. The process optimization method is proposed for the cracking failure and is verified in the subsequent bench test.

Key words：tractor， frame， bench test， fatigue analysis

1 引言

車架作為牽引車的重要承載總成，其可靠性成為體現(xiàn)整車質(zhì)量的重要方面。近年來越來越多的研究已經(jīng)不滿足于對(duì)車架的靜強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，開始轉(zhuǎn)向?qū)嚰芫唧w工況下的疲勞分析。本文針對(duì)車架的臺(tái)架試驗(yàn)建立有限元模型，根據(jù)材料的疲勞參數(shù)以及特定的時(shí)間載荷序列，利用FEMFAT軟件進(jìn)行疲勞仿真分析，最終得到了與臺(tái)架試驗(yàn)中較為吻合的失效部位。

2 建立車架臺(tái)架有限元模型

某牽引車整車驅(qū)動(dòng)形式為6X4，車架總長度6901mm，前部寬度1080mm，后部寬度850mm，總質(zhì)量約為865kg，車架板材類零件的材料為DL系列的熱軋鋼板，車架前端大鑄件采用球鐵材料。前處理采用hypermesh軟件，2D網(wǎng)格單元尺寸為10mm，3D網(wǎng)格采用四面體，由于該模型后續(xù)用于疲勞分析，所有縱梁孔位采用雙washer的形式劃分網(wǎng)格。車架總成中板材類型的零件的網(wǎng)格采用PSHELL單元，鑄件零件的網(wǎng)格采用PSOLID單元，建立車架的有限元模型。

3 車架臺(tái)架試驗(yàn)靜強(qiáng)度分析與電測(cè)對(duì)標(biāo)

對(duì)已經(jīng)建立的車架臺(tái)架試驗(yàn)的有限元模型進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，采用Optistrcut進(jìn)行求解分析。車架臺(tái)架試驗(yàn)分為前后兩種工況，鞍座處載荷相同但扭轉(zhuǎn)角度不同，第一種工況為3°，第二種工況為5°。以5°工況為例，提取車架Z向位移云圖如下，左右各處最大位移為90mm和132mm，考慮到測(cè)量基準(zhǔn)因素，位移云圖反應(yīng)的位移情況整體與車架臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值大體相符。同時(shí)在后處理中提取了車架縱梁開裂處的最大主應(yīng)力以及vonMises應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力分別為130Mpa和126Mpa。針對(duì)車架此前出現(xiàn)的開裂失效，在車架臺(tái)架試驗(yàn)中對(duì)開裂位置處進(jìn)行了電測(cè)，實(shí)際電測(cè)的應(yīng)力載荷譜如下，最大應(yīng)力在100Mpa左右，開裂位置處實(shí)際應(yīng)力水平與靜強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)相當(dāng)。

4 車架板材類零件各種工藝處理下的疲勞參數(shù)分析

該車架縱梁采用熱軋鋼板，抗拉強(qiáng)度為700Mpa，屈服強(qiáng)度650Mpa，中值疲勞極限（50%存活率）為460Mpa，疲勞極限（99.9%存活率）為449Mpa，有限元分析應(yīng)力以及電測(cè)實(shí)際應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該數(shù)值，在臺(tái)架試驗(yàn)次數(shù)范圍內(nèi)的損傷值疊加無法導(dǎo)致開裂失效。

通過分析發(fā)現(xiàn)，上述疲勞極限參數(shù)是熱軋鋼板材料在光滑狀態(tài)下進(jìn)行的試驗(yàn)，但是在臺(tái)架試驗(yàn)中出現(xiàn)開裂的位置處是孔位周邊，此處材料并不是出于光滑試樣的狀態(tài)。根據(jù)研究者的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，板材類零件諸如熱軋鋼板不同的工藝處理下，疲勞強(qiáng)度有較大幅度的下降。此外，縱梁目前采用高強(qiáng)鋼材料，高強(qiáng)鋼相比普通強(qiáng)度鋼而言邊緣裂紋敏感性更高，因此需要更多關(guān)注高強(qiáng)度鋼的邊緣狀態(tài)。

通過對(duì)不同工藝處理下的板材類材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，最終得到縱梁孔位處的沖裁邊由于斷面上有毛刺以及微裂紋的存在，疲勞強(qiáng)度僅為107Mpa。

5 車架的疲勞仿真分析

根據(jù)已經(jīng)得到的有限元分析結(jié)果以及材料的疲勞數(shù)據(jù)，在FEMFAT軟件中進(jìn)行疲勞仿真分析。

根據(jù)在不同工藝處理下的材料的疲勞參數(shù)的試驗(yàn)，考慮到材料的表面處理以及工藝過程。將車架臺(tái)架的有限元分析結(jié)果導(dǎo)入到FEMFAT軟件中，建立如下圖所示的載荷譜，加載頻率為1.5Hz。根據(jù)電測(cè)采集到數(shù)據(jù)分析可知，在臺(tái)架試驗(yàn)中載荷譜類型為正弦波類型。

考慮到車架臺(tái)架試驗(yàn)一般的試驗(yàn)次數(shù)均在30-60萬次左右，本次出現(xiàn)開裂故障的試驗(yàn)次數(shù)是在57萬次，屬于典型的高周疲勞失效，據(jù)此采用名義應(yīng)力疲勞設(shè)計(jì)法（S-N法）。名義應(yīng)力法以應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)為參數(shù)，以材料或零部件的SN曲線描述材料的疲勞特性，根據(jù)零部件的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，按SN曲線用疲勞損傷累積理論進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。除此之外，還需要考慮載荷頻率與車架固有頻率之間的關(guān)系，本次疲勞分析中的載荷頻率為1.5Hz，該車架的各階模態(tài)頻率在7Hz以上，本次仿真方法采用靜態(tài)疲勞分析方法，據(jù)此有限元分析結(jié)果采用靜強(qiáng)度分析方法是可行的。

在FEMFAT軟件中建立起相應(yīng)的疲勞分析流程，針對(duì)縱梁應(yīng)力較高的危險(xiǎn)孔位處（沖裁邊位置處），考慮材料加工的影響，對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)分組。

在其中設(shè)置好上述所涉及的軟件參數(shù)并運(yùn)行，最終得到疲勞分析結(jié)果如下，以疲勞壽命云圖為例，顏色紫色表示壽命最低，紅色表示壽命次之。

根據(jù)該車架的疲勞壽命云圖，可以看出除縱梁開裂的危險(xiǎn)點(diǎn)處，車架翼面切割口、第二三橫梁處的縱梁等部位疲勞壽命也處于降低水平。除翼面切割口處外，其他位置均為光滑狀態(tài)，提取具體壽命發(fā)現(xiàn)均高于60萬次的考核要求，據(jù)此后期在縱梁翼面切割口處的表面也要增加相應(yīng)的處理辦法，提高此處的疲勞強(qiáng)度，避免后續(xù)出現(xiàn)開裂。

針對(duì)縱梁危險(xiǎn)點(diǎn)，最終從結(jié)果中提取出的損傷此處為47.07萬次，與臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)開裂的57萬次大致吻合。

6 材料邊緣工藝優(yōu)化與車架臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)材料在加工工藝中出現(xiàn)的疲勞強(qiáng)度大幅下降的問題，經(jīng)過實(shí)物臺(tái)架電測(cè)以及仿真分析的結(jié)果，確定了是由加工工藝處理導(dǎo)致。鑒于上述原因，對(duì)車架縱梁孔加工工藝進(jìn)行了調(diào)整，并且增加噴丸工藝，最終孔位沖裁邊形貌如下圖所示。可以看到，調(diào)整工藝后的沖孔表面質(zhì)量更好，無明顯的內(nèi)陷和撕裂紋，經(jīng)過疲勞試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，疲勞強(qiáng)度也得到提升。

經(jīng)過材料邊緣工藝優(yōu)化處理之后的車架縱梁，隨車架總成的臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過60萬次的考核，未出現(xiàn)開裂失效。

7 結(jié)語

本文采用hypweworks與FEMFAT軟件相結(jié)合的仿真方法，為車架設(shè)計(jì)提供了一種在靜強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上的疲勞分析辦法。在疲勞分析過程中，靜強(qiáng)度分析部分進(jìn)行實(shí)際臺(tái)架的電測(cè)對(duì)標(biāo)，確認(rèn)了有限元模型的準(zhǔn)確性，提高了疲勞分析的精度，同時(shí)考慮了板材類材料在不同工藝處理下的疲勞參數(shù)特別是疲勞強(qiáng)度的降低，疲勞仿真分析結(jié)果與實(shí)際臺(tái)架中出現(xiàn)了故障相吻合。針對(duì)疲勞強(qiáng)度大幅降低的問題提出了工藝優(yōu)化，最終在臺(tái)架試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。上述方法流程為今后的車架設(shè)計(jì)優(yōu)化以及工藝改善提供了一種新的路徑。

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