基于Ansys的車橋結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析

摘要：基于Ansys的結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析模塊，在隨機(jī)路面不平度激勵(lì)下，以陜汽SX3255DM354型工程車輛前橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合Miner線性累積損傷理論和材料P-S-N曲線，預(yù)測(cè)車橋結(jié)構(gòu)理論疲勞壽命。

Abstract： Based on ANSYS module to analyze the random vibration of the axle， under the road roughness random vibration， taking the front axle of type SX3255DM354 engineering vehicle produced by ShanQi as the research object， combined with Miner liner cumulative law and P-S-N this paper obtained the theoretical fatigue life of the engineering vehicle axle.

關(guān)鍵詞：隨機(jī)振動(dòng)；路面不平度；功率譜密度；疲勞壽命

Key words： random vibration；road roughness；power spectral density；fatigue life

中圖分類號(hào)：TB533 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）06-0112-02

0 引言

車橋是車輪與懸架之間的重要連接構(gòu)件，也是車輛的關(guān)鍵承載部件，其剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命影響著車輛行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性和使用壽命等。實(shí)際工況研究表明，在隨機(jī)載荷作用下，大多數(shù)機(jī)械零件承受高水平的應(yīng)力而使零件發(fā)生隨機(jī)疲勞破壞。因此，為確保車輛行車安全，有必要對(duì)車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞研究。

近年來，在結(jié)構(gòu)的隨機(jī)疲勞可靠性研究方面，基于功率譜密度（PSD）的頻域分析法以其分析、計(jì)算簡(jiǎn)單，且更適用于隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命的估算而受到了廣泛的重視[1]。本文以功率譜密度（PSD）分析法為理論基礎(chǔ)，基于Ansys的隨機(jī)振動(dòng)分析模塊對(duì)車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 基于Ansys的隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析流程

Ansys中的譜分析有三類：響應(yīng)譜分析、動(dòng)力設(shè)計(jì)分析（Dynamic Design Analysis Method）和功率譜密度（Power Spectral Density）。本文采用功率譜密度分析法，以車橋結(jié)構(gòu)功率譜密度作為數(shù)據(jù)輸入，在Ansys中對(duì)車橋結(jié)構(gòu)做隨機(jī)振動(dòng)分析，求得車橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力功率譜，再結(jié)合疲勞損傷理論和材料P-S-N特性，計(jì)算車橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命?；贏nsys的車橋結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析流程如圖1所示。

2 建立前橋結(jié)構(gòu)有限元模型

有限元模型的建立是疲勞壽命分析的基礎(chǔ)，SX3255DM354型車輛前橋結(jié)構(gòu)尺寸如圖2和圖3所示，前橋結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)有板簧中心距，主銷中心距，板簧座截面尺寸，主銷內(nèi)傾角等。建立車橋結(jié)構(gòu)模型時(shí)，①車橋的主要承載部位保持原有的形狀和位置。②建模時(shí)，忽略了對(duì)分析結(jié)果影響不大的特征，如工藝小孔和某些形狀復(fù)雜、不利于建模的特征。③為確保網(wǎng)格的規(guī)律性，對(duì)車橋某些局部特征做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理。

在AnsysWB中建立該型車輛前橋結(jié)構(gòu)三維模型，采用Solid92單元類型，控制單元類型的大小，并對(duì)車橋結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃后得到12956個(gè)單元。如圖4所示，前橋材料如表1所示。

采用數(shù)值模擬的方法得到F級(jí)路面功率譜密度曲線[2，3]，并將所得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.txt文檔后加載到Ansys中。

3 前橋結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

根據(jù)汽車懸架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，該型工程車輛響應(yīng)的頻率范圍為0.5～20Hz，計(jì)算所得車橋結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)振型頻率如表2所示，且已包涵車輛響應(yīng)的頻率范圍。

5 結(jié)論

以功率譜密度（PSD）分析法為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用Ansys的隨機(jī)振動(dòng)分析模塊，對(duì)車橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析分析并得到了1σ的最大Von miss值為MPa，結(jié)合Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累積損傷理論的三區(qū)間法對(duì)前橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到該型車輛在F級(jí)路面上行駛時(shí)，前橋結(jié)構(gòu)的理論疲勞壽命，該方法對(duì)工程實(shí)際研究具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張景繪，王超.工程隨機(jī)振動(dòng)理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1988.

[2]王鵬利，郭瑞峰.基于數(shù)值模擬載荷譜的車輛前橋隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命分析[J].工程機(jī)械，2013，10（44）：39-42.

[3]劉獻(xiàn)棟，鄧志黨，高峰.公路路面不平度的數(shù)值模擬方法研究[J].北京航空航天大學(xué)，2003，29（9）：843-846.

[4]馬瑞雪，王欣，張科峰.客車骨架結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（1）：54-57.

[5]GB/T7031-2005，機(jī)械振動(dòng) 道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.