基于虛擬載荷譜的車橋結構疲勞壽命估算

王鵬利

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

隨著汽車行業的快速發展，汽車結構的舒適性、安全性越來越受到人們的重視，每開發一種新車型，都需要在道路試車廠中對車輛進行疲勞耐久性試驗，這種方法耗費較多時間和經費，不能適應汽車行業的快速發展。近年來，虛擬仿真技術在各行業中應用廣泛。

車橋通過懸架與車架相連，是車輛承載的重要部件，車橋的疲勞破壞都是在高水平應力的持續作用下發生的隨機疲勞破壞，隨機疲勞破壞一般采用基于功率譜密度的頻域分析法。

1 隨機載荷譜

考慮車橋結構的疲勞壽命問題，主要是得到其載荷譜。輪胎對車橋產生直接激勵，而輪胎受到的激勵是由于隨機路面不平度引起。

目前，路面不平度的虛擬仿真方法主要有諧波疊加法、積分單位白噪聲法、濾波整形白噪聲法以及利用ARMA模型的方法。這些方法所得路面不平度數據存在一定誤差。文章采用傅立葉變換及數據采樣定理獲得路面不平度數據，并應用到ANSYS的隨機振動分析模塊中。

設xm是路面不平度的采樣數據，則其離散傅立葉變換為

Xk的離散傅立葉變換的模值為

對Xk進行離散傅立葉逆變換可得路面不平度

圖1 F級路面不平度曲線

地面作用于輪胎的激勵時間頻率下限fl=0.1Hz，上限fu=30Hz，車輛響應的頻率范圍為0.5～20Hz，車輛的平均車速ν=m/s，車輛的行駛路況以F級路面等級進行模擬，F級路面不平度系數Gd（n0）=16384。用該算法求得沿車輛行駛方向500m的路面不平度曲線，如圖1所示。

2 車橋模型的建立與分析

車橋材料為高強度鋼42CrMo，單元類型為Solid92單元，對局部進行網格細劃，得到12956個單元。模態分析求得車橋結構前10階固有頻率，如表1所示。

表1 車橋結構前10階固有頻率

3 車橋疲勞強度分析

Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累積損傷理論的損傷公式為：

通過前面的計算和通用后處理器觀察可知，載荷步（load step）1的第十個子步1σ的最大Von miss應力值為245.523 MPa，如圖2所示。在該路況下，分別求出結構平均振動頻率和nσ值，取總體損傷D=1，代入總體損傷公式（4）可得：T=2.77×104小時，即該工程車輛累積行駛約9.97×105km。

圖2 F級路面上車橋結構隨機振動應力分布圖

4 結語

文章通過虛擬仿真的方法對路面不平度進行研究，得到路面不平度數據。并應用ANSYS的隨機振動分析模塊，進行模態分析和頻率響應分析并得到了1σ的最大應力值為245.532MPa，結合Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累積損傷理論的三區間法對車橋結構的疲勞壽命進行預測。

參考文獻

［1］徐占，過學迅，汪斌.標準路面譜重構及軟件實現［J］.設計·研究，2009，（3）：23-26.