基于比利時路的某牽引車車架疲勞分析

白素強　聶成剛　趙莉

摘要： 為分析某牽引車在比利時路上的車架疲勞，建立該牽引車整車多體動力學模型。將試驗測得的車輪六分力加載到模型中進行仿真分析，并與試驗結果對比，驗證模型的可信性。提取多體動力學仿真結果中的車架載荷歷程，基于模態應力恢復理論對車架進行疲勞分析，預測車架疲勞壽命。仿真結果表明該分析方法可作為車架疲勞分析的有效手段。

關鍵詞：車架； 疲勞； 比利時路； 模態應力恢復； 車輪六分力； 整車試驗； 有限元

中圖分類號： U463.321；TB115.1

文獻標志碼： B

Abstract：To analyze the fatigue of a tractor frame on Belgian road， the multi-body dynamics model of the tractor is built. The six component force of wheel measured by experiment is loaded into the model for simulation analysis， and the credibility of the model is verified by comparing with the test results. The frame load history in multi-body dynamic simulation results is extracted. The frame fatigue analysis is performed based on modal stress recovery theory and the frame fatigue life is predicted. The simulation results show that the analysis method can be used as an effective method for frame fatigue analysis.

Key words：frame； fatigue； Belgian road； modal stress recovery； six component force of wheel； automobile test； finite element

0 引 言

車架是車輛的主要承載結構，支撐著駕駛室、發動機、油箱和蓄電池等部件，車架的疲勞特性直接影響整車的行駛安全性和使用耐久性[1]，因此及時預測車架疲勞壽命，防止車架疲勞破壞十分重要。

本文以某牽引車車架為主要研究對象，通過試驗場實車試驗，獲取試驗場比利時路相關試驗數據，包括車輪上的六分力、輪心處加速度、懸架位移，以及前軸和后橋所在位置車架縱梁上的加速度等。基于Adams/Car建立該車整車多體動力學模型，車架設為柔性體，將試驗獲得的比利時路車輪六分力加載到多體動力學模型中進行仿真分析，并將輪心處加速度、懸架位移，以及前軸和后橋所在位置車架縱梁上的加速度等的仿真值與試驗值進行對比，結果表明兩者基本吻合，驗證模型的可信性。提取多體模型中車架的載荷歷程，基于模態應力恢復法分析車架及相關附件的疲勞壽命和危險區域，為車架及相關附件的改進奠定基礎。

1 比利時路實車試驗

為保證車架載荷歷程的準確性，對整車多體動力學模型進行驗證，同時在輪心施加載荷力激勵該模型。實車道路試驗主要有2個目的：一是獲取車輪上的六分力用于激勵整車多體動力學模型；二是獲取輪心處加速度、懸架位移，以及前軸和后橋所在位置車架縱梁上的加速度等，用于驗證整車多體動力學模型。

1.1 試驗方案設計

試驗測試對象包括車輪六分力、懸架位移和加速度。分別測試前、后車輪4個輪心處的六分力（見圖1），前軸和后橋4個懸架位移，4個輪心處的三向加速度，前軸和后橋正上方車架縱梁上翼面4個垂向加速度（見圖2）。

試驗測試選取襄陽汽車試驗場比利時路面，試驗樣車（見圖3）為某4×2牽引車，帶半掛車，滿載46 000 kg，配載物為干燥沙子。

1.2 試驗條件和設備

依據GB/T 12534—1990《汽車道路試驗方法通則》和試驗場及企業相關規程進行試驗，樣車的技術狀況達到整車技術條件的要求，試驗場風速小于5 m/s，路面干燥整潔，采樣頻率為512 Hz。試驗設備見表1。

1.3 試驗數據

試驗采集的比利時路試驗數據總時長約為167 s，4個車輪輪心垂向力見圖4。綜合考慮計算機資源、計算時間和后續疲勞分析等因素，

選取其中40 s的試驗數據，即圖4中41～81 s的數據進行分析。將選取數據的初始時間設為0，右后輪輪心垂向力見圖5。

2 整車動力學仿真分析

載荷譜是進行車架疲勞壽命分析必不可少的條件，其精度在很大程度上會影響疲勞分析結果的精度。將車架柔性化后導入Adams/Car中，通過整車多體動力學仿真得到載荷譜，并基于模態應力恢復法分析車架疲勞。[2]車架分析流程見圖6。

2.1 車架模態分析

2.1.1 建立有限元模型

基于HyperMesh建立車架有限元模型。縱梁、橫梁、加強梁和鈑金件采用殼單元，鑄件采用四面體單元，螺栓孔周邊進行局部細化并保留2圈WASHER單元，使用BEAM單元模擬螺栓和鉚接連接。由于在后續整車多體動力學建模中需要將車架柔性化，因此采用剛性單元RBE2建立車架與Adams/Car的接口點。車架有限元模型見圖7。

2.1.2 模態分析

車架模態是車架系統固有的振動特性，模態分析是判別車架結構動態特性的有效手段。[3]對自由狀態下的車架進行模態分析，生成模態中性文件

和模態結果文件，前6階模態分析結果（剛體模態除外）見表2。

2.2 建立整車模型

基于Adams/Car建立整車多體動力學模型。模型包括駕駛室及其懸置、動力總成及其懸置、車架及其附件、前后懸架、前后板簧、轉向系統、穩定桿、半掛車及其懸架等子系統，整車多體動力學模型見圖8。其中，車架為柔性體，基于車架模態中性文件建立。綜合考慮柔性體規模、計算時間和重點關注頻率等因素，車架模態頻率設為70階。在前懸架中，前軸為柔性體，模態頻率設為26階。前、后板簧應用Adams/Car中的板簧工具箱建立。由于采用試驗測得的車輪六分力激勵整車多體動力學模型進行仿真分析，因此未建立輪胎模型。

2.3 模型加載

將試驗測得的比利時路車輪輪心六分力加載到模型中，見圖9。由于試驗誤差和重力加速度的影響，在加載六分力后，模型不能完全達到平衡狀態，因此為保證模型平衡，在軸端輪心力加載處建立X、Y、Z等3個方向（模型整車坐標系）彈簧單元與大地連接。為減小彈簧單元的影響，在保證模型平衡的前提下，其剛度應盡可能小，取10 N/m。

由于試驗未測量半掛車車輪六分力，為模擬半掛車及其懸架系統的運動，在車架與半掛車連接處建立Z向（垂向）位移變量，在半掛車軸頭處加載Z向位移，位移大小與半掛車和車架連接處位移相同，通過改變位移變量實現兩者同步運動。半掛車及其懸架模擬見圖10。

2.4 分析結果

為驗證整車多體動力學模型，保證提取的車架載荷歷程準確，將仿真值與試驗值進行對比，見圖11～14。

整車多體動力學仿真值與試驗值基本吻合，說明整車多體動力學模型及仿真結果可信，能為后續疲勞分析提供較準確的車架載荷歷程。

3 車架疲勞分析

從整車多體動力學仿真結果中提取車架各階

模態位移結果作為車架載荷輸入。[4]根據模態結果文件和模態位移文件，基于模態應力恢復理論，利用車架材料的S-N曲線[5]，在nCode中進行疲勞分析。

3.1 車架模態位移

提取整車多體動力學仿真結果中車架模態位移文件，此處共提取70階模態位移（不包括前6階剛性位移）結果，第1階模態位移見圖15。

3.2 車架材料參數

車架材料為510L，鑄件材料為QT500，根據企業內部材料庫中的材料參數，其S-N曲線見圖16。

3.3 疲勞分析結果

車架整體、橫梁和前板簧后支架疲勞壽命云圖見圖17～19。

車架最小疲勞循環次數為4.000E+05次，位于前伸梁與縱梁連接處；橫梁最小疲勞循環次數為4.700E+05次，位于橫梁與縱梁連接螺栓孔處；前板簧后支架最小疲勞循環次數為1.946E+08次，位于支架與縱梁下翼面連接螺栓孔處。上述疲勞分析可預測該車架疲勞危險區域，為后續車架改進提供一定的指導意義。

4 結束語

建立某牽引車整車多體動力學模型，將試驗測得的比利時路六分力加載到模型中進行分析，提取車架載荷歷程，基于模態應力恢復理論分析車架疲勞壽命。對比分析結果可知，該分析方法能較準確地預測車架疲勞壽命，可作為車架疲勞分析的有效手段。基于實測比利時路提取的車架載荷以及車架疲勞壽命，可為相似車型的設計提供一定的參考，為車架在其他路面激勵下的疲勞分析提供參考。由于車輪六分力測量成本較大，可采用虛擬迭代的方式獲得輪心位移載荷替代六分力載荷。該多體動力學建模方法和模型處理方式可為虛擬迭代提供重要的指導意義。

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（編輯 付宇靚）