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力學(xué)模型，并基于3維虛擬路面，提取了車架接口點的受力時域曲線。結(jié)合疲勞理論，對此車架進行了疲勞壽命分析。分析結(jié)果表明，此分析方法能有效反映車輛實際使用中所出現(xiàn)的疲勞問題。在此結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步對此車架進行優(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

汽車運輸由于其“門對門”的優(yōu)勢，成為了貨運運輸?shù)闹饕绞街唬瑸榱吮ＷC運輸?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。汽車疲勞壽命分析的傳統(tǒng)方式是進行可靠性試驗，此方式即費時又費力[1]。隨著疲勞理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，使用CAE方法結(jié)合試驗對汽車疲勞進行分析與優(yōu)化，成為了主要方式[2]。

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

1、多體動力學(xué)模型

根據(jù)前期測試得到的整車參數(shù)，包括整車軸荷參數(shù)、硬點坐標(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)、動力總成系統(tǒng)、傳動系、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)心與測試結(jié)果保持一致，進而使得整車質(zhì)量、質(zhì)心、簧上質(zhì)量和軸荷與測試結(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試得到的數(shù)值。同時在各接口點處創(chuàng)建相應(yīng)的request，以輸出車架各接口點處點受力曲線。

2、運行工況

經(jīng)過調(diào)研，此車型在實際使用過程中，運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中等級路面C級、B級和A級路面進行模擬。因此按照國標(biāo)規(guī)定，制作得到的部分等級路面如圖所示。

3、載荷提取

為了計算車架的疲勞，需要提取車架各接口點受力時域曲線，即載荷譜[3]。此車型常用車速為60km/h，因此，以60km/h的車速分別在等級路面為A、B和C的路面上運行30秒，得到行駛里程500米的載荷信號，之后提取車架各接口點的受力，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重要參數(shù)，獲取一條完整的S-N曲線需要花費大量的時間和成本[4]，因此本文使用FEMFAT軟件中的S-N曲線生成器計算得到相應(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，需要進行單位力加載分析，因此對此車架進行有限元網(wǎng)格劃分[5]，并做相應(yīng)連接，之后采用Radioss線性模塊進行分析。在每個接口點上分別施加6個方向的單位載荷（3方向力及3方向扭矩），使用“慣性釋放”方法進行約束，得到每個單位力作用下，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)合時域載荷曲線，使用FEMFAT軟件的ChannelMax模塊進行疲勞分析，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級路面下，車架的疲勞分布情況。

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

在B級路面下，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，對應(yīng)的行駛里程為12820公里，按照調(diào)研結(jié)果，B級路面下，最小行駛里程為35萬公里，因此，此車架不滿足B級路面的使用要求；

在C級路面下，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，對應(yīng)的行駛里程為737公里，C級路面的最小里程為5萬公里，因此此車架不滿足C級路面的使用要求。

搜集此車的實際使用情況后發(fā)現(xiàn)，多個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)果與實際使用情況基本一致。因此，本文所進行的分析方法及結(jié)果，可以有效反應(yīng)此車架的實際使用情況。

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，對駕駛室后懸支架處（圖中i處）添加加強筋，同時在此處的縱梁加襯板（圖中ii處），以加強此處縱梁。對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行分析，分析結(jié)果顯示其已經(jīng)滿足A、B和C級路面使用里程要求，如圖9～11所示。

統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 結(jié)果統(tǒng)計

5、結(jié)論

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

對某牽引車車架進行了疲勞壽命分析，分析結(jié)果與實際情況一致，最終根據(jù)分析結(jié)果對車架進行加強，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。