基于FEMFAT的某牽引車車架臺架疲勞分析

劉堯　梁海波　劉成虎　張善玉　葉吉麗

摘 要：本文針對某牽引車車架在臺架試驗中出現的縱梁局部孔位處開裂的問題進行分析，結合臺架試驗以及仿真分析結果，提出優化方案。首先根據有限元理論以及臺架試驗的邊界條件建立了車架臺架的有限元模型，并且對臺架試驗運行過程進行靜強度分析，經過電測對標確認了模型的精度。然后根據疲勞分析理論、材料的疲勞試驗結果，在FEMFAT軟件中建立相應的材料參數以及載荷譜，進行疲勞仿真分析，對臺架試驗出現的開裂情況進行了復現。針對開裂故障提出工藝優化辦法，在后續臺架試驗中進行驗證。

關鍵詞：牽引車 車架 臺架試驗 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，其可靠性成為體現整車質量的重要方面。近年來越來越多的研究已經不滿足于對車架的靜強度分析和優化設計，開始轉向對車架具體工況下的疲勞分析。本文針對車架的臺架試驗建立有限元模型，根據材料的疲勞參數以及特定的時間載荷序列，利用FEMFAT軟件進行疲勞仿真分析，最終得到了與臺架試驗中較為吻合的失效部位。

2 建立車架臺架有限元模型

某牽引車整車驅動形式為6X4，車架總長度6901mm，前部寬度1080mm，后部寬度850mm，總質量約為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網格單元尺寸為10mm，3D網格采用四面體，由于該模型后續用于疲勞分析，所有縱梁孔位采用雙washer的形式劃分網格。車架總成中板材類型的零件的網格采用PSHELL單元，鑄件零件的網格采用PSOLID單元，建立車架的有限元模型。

3 車架臺架試驗靜強度分析與電測對標

對已經建立的車架臺架試驗的有限元模型進行靜強度計算，采用Optistrcut進行求解分析。車架臺架試驗分為前后兩種工況，鞍座處載荷相同但扭轉角度不同，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，考慮到測量基準因素，位移云圖反應的位移情況整體與車架臺架試驗測量值大體相符。同時在后處理中提取了車架縱梁開裂處的最大主應力以及vonMises應力云圖，最大應力分別為130Mpa和126Mpa。針對車架此前出現的開裂失效，在車架臺架試驗中對開裂位置處進行了電測，實際電測的應力載荷譜如下，最大應力在100Mpa左右，開裂位置處實際應力水平與靜強度分析數據相當。

4 車架板材類零件各種工藝處理下的疲勞參數分析

該車架縱梁采用熱軋鋼板，抗拉強度為700Mpa，屈服強度650Mpa，中值疲勞極限（50%存活率）為460Mpa，疲勞極限（99.9%存活率）為449Mpa，有限元分析應力以及電測實際應力均遠遠小于該數值，在臺架試驗次數范圍內的損傷值疊加無法導致開裂失效。

通過分析發現，上述疲勞極限參數是熱軋鋼板材料在光滑狀態下進行的試驗，但是在臺架試驗中出現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。根據研究者的試驗研究發現，板材類零件諸如熱軋鋼板不同的工藝處理下，疲勞強度有較大幅度的下降。此外，縱梁目前采用高強鋼材料，高強鋼相比普通強度鋼而言邊緣裂紋敏感性更高，因此需要更多關注高強度鋼的邊緣狀態。

通過對不同工藝處理下的板材類材料進行疲勞試驗，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，疲勞強度僅為107Mpa。

5 車架的疲勞仿真分析

根據已經得到的有限元分析結果以及材料的疲勞數據，在FEMFAT軟件中進行疲勞仿真分析。

根據在不同工藝處理下的材料的疲勞參數的試驗，考慮到材料的表面處理以及工藝過程。將車架臺架的有限元分析結果導入到FEMFAT軟件中，建立如下圖所示的載荷譜，加載頻率為1.5Hz。根據電測采集到數據分析可知，在臺架試驗中載荷譜類型為正弦波類型。

考慮到車架臺架試驗一般的試驗次數均在30-60萬次左右，本次出現開裂故障的試驗次數是在57萬次，屬于典型的高周疲勞失效，據此采用名義應力疲勞設計法（S-N法）。名義應力法以應力和應力集中系數為參數，以材料或零部件的SN曲線描述材料的疲勞特性，根據零部件的名義應力和應力集中系數，按SN曲線用疲勞損傷累積理論進行疲勞壽命計算。除此之外，還需要考慮載荷頻率與車架固有頻率之間的關系，本次疲勞分析中的載荷頻率為1.5Hz，該車架的各階模態頻率在7Hz以上，本次仿真方法采用靜態疲勞分析方法，據此有限元分析結果采用靜強度分析方法是可行的。

在FEMFAT軟件中建立起相應的疲勞分析流程，針對縱梁應力較高的危險孔位處（沖裁邊位置處），考慮材料加工的影響，對其進行單獨分組。

在其中設置好上述所涉及的軟件參數并運行，最終得到疲勞分析結果如下，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。

根據該車架的疲勞壽命云圖，可以看出除縱梁開裂的危險點處，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，提取具體壽命發現均高于60萬次的考核要求，據此后期在縱梁翼面切割口處的表面也要增加相應的處理辦法，提高此處的疲勞強度，避免后續出現開裂。

針對縱梁危險點，最終從結果中提取出的損傷此處為47.07萬次，與臺架試驗出現開裂的57萬次大致吻合。

6 材料邊緣工藝優化與車架臺架試驗驗證

針對材料在加工工藝中出現的疲勞強度大幅下降的問題，經過實物臺架電測以及仿真分析的結果，確定了是由加工工藝處理導致。鑒于上述原因，對車架縱梁孔加工工藝進行了調整，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，調整工藝后的沖孔表面質量更好，無明顯的內陷和撕裂紋，經過疲勞試驗測試發現，疲勞強度也得到提升。

經過材料邊緣工藝優化處理之后的車架縱梁，隨車架總成的臺架試驗進行驗證，最后通過60萬次的考核，未出現開裂失效。

7 結語

本文采用hypweworks與FEMFAT軟件相結合的仿真方法，為車架設計提供了一種在靜強度分析基礎上的疲勞分析辦法。在疲勞分析過程中，靜強度分析部分進行實際臺架的電測對標，確認了有限元模型的準確性，提高了疲勞分析的精度，同時考慮了板材類材料在不同工藝處理下的疲勞參數特別是疲勞強度的降低，疲勞仿真分析結果與實際臺架中出現了故障相吻合。針對疲勞強度大幅降低的問題提出了工藝優化，最終在臺架試驗中得到了驗證。上述方法流程為今后的車架設計優化以及工藝改善提供了一種新的路徑。

參考文獻：

[1]韓碩.第三代汽車鋼剪切邊裂紋敏感性研究[D].

[2]李成林.基于nCodeDesign-Life的某車架疲勞可靠性分析[J] 數字化設計，2014年2月.

[3]楊新華，陳傳堯.疲勞與斷裂（第二版）[M].