基于《道路車輛牽引座強度試驗》標準的牽引座疲勞強度分析方法研究

寧厚于　楊獻學　張軍偉　李玉龍

摘 要：文章提出一種有限元仿真及經典疲勞強度公式分析相結合的方法，對某牽引座結構進行疲勞強度校核。按照GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強度試驗》標準相關要求，建立某牽引座動態試驗有限元仿真模型，計算得到牽引座結構應力危險點在一個加載循環周期內的應力。按照經典疲勞強度公式校核牽引座的疲勞安全，并對牽引座進行動態疲勞試驗驗證。結果表明，牽引座疲勞安全滿足使用要求，驗證了該分析方法的有效性。

關鍵詞：牽引座 動態試驗 疲勞強度 分析方法

1 引言

牽引座作為牽引車和半掛車之間的重要連接件和安全件，不但承受橫向、縱向、垂向各種載荷，還需要承受列車起步、加速、制動、轉向等使用工況下的沖擊載荷，其結構極易出現裂紋，甚至發生斷裂現象。因此，牽引座的結構強度和疲勞可靠性將直接影響汽車列車的行駛安全性[1][2]。

某90#牽引座牽引座結構如下圖1所示，為了驗證其在結構改進后，疲勞可靠性是否滿足GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強度試驗》要求，文章以其為研究分析對象，提出了一種有限元仿真及經典疲勞強度公式分析相結合的方法，分析該牽引座在GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強度試驗》標準情況下進行動態疲勞試驗時的結構疲勞安全。文章首先按照該標準中動態疲勞試驗要求，對牽引座結構進行仿真分析，確定結構應力危險點位置，進而得到應力危險點處一個循環周期內的應力情況，根據經典疲勞強度公式校核牽引座結構的疲勞安全，并通過動態疲勞試驗驗證了牽引座結構的疲勞安全可靠性。

2 牽引座動態疲勞試驗要求

按照GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強度試驗》，牽引座動態疲勞試驗相關要求如下：

如圖2所示，對牽引座結構同時施加垂向載荷Fvt和縱向載荷Fht，按正弦曲線加載，循環次數為2×106，加載頻率不超過35Hz，且不應與系統固有頻率重疊，Fvt和Fht頻率誤差為1%～3%[3][4]。

式中：T為用于牽引半掛車的牽引車的最大設計總質量，單位為噸（t），文章取值20t；

R為由牽引座牽引的半掛車的最大設計總質量，單位為噸（t），文章取值52t；

D為牽引座的縱向力，文章U取值20t，根據公式2可得到D值為120kN。

在完成規定的動態疲勞試驗后，要求牽引座結構不應產生永久變形、斷裂或開裂。

3 牽引座動態疲勞試驗有限元仿真分析

3.1 建立有限元仿真分析模型

文章采用Hyperworks軟件建立牽引座結構有限元仿真分析模型，其中，為了提高仿真分析效率，在建模過程中忽略牽引座和牽引銷掛接分離過程中的微小控制構件，結構件焊縫處采用共節點模擬；為提高有限元模型網格質量，在模型簡化過程中忽略微小孔洞和圓角等細小特征[5]。同時，為模擬動態疲勞試驗下的實際載荷加載情況，建立載荷加載工裝板，工裝板和牽引座面板之間建立面接觸單元，將載荷加載到工裝板上。整個牽引座結構的有限元仿真模型如下圖3所示。

3.2 牽引座動態疲勞試驗分析工況

首先對該牽引座結構進行靜態載荷仿真，確定牽引座結構的應力危險點位置。再針對該應力危險點，選取動態疲勞試驗一個循環周期內8個時間節點的載荷做動態疲勞試驗仿真分析，具體載荷見下表1所示。

3.3 動態疲勞試驗仿真結果

將上表1中載荷施加到有限元仿真模型中，可以得到牽引座結構動態疲勞試驗一個加載循環周期內結構應力危險點的應力情況，其中工況1#和工況4#時的應力云圖見圖4和圖5所示，一個加載循環周期內結構應力危險點應力匯總見表2。

4 牽引座結構經典疲勞強度分析

牽引座結構所用材料為熱軋態16Mn低合金高強度結構鋼，根據《機械設計手冊 疲勞強度設計（徐灝主編）》，該種材料機械性能參數如下表3所示。

P-S-N曲線的通用表達式如下：

式中：Np—存活率為P時的疲勞壽命；

—應力幅的均值，單位為MPa；

ap、bp—與存活率p有關的材料常數，見下表4所示。

根據公式（3）可以得出，

16Mn材料在99%存活率時，

107疲勞極限為σ-1（99%）=220MPa；

2x106循環時疲勞強度σ（2&6）（99%）=260MPa；

16Mn材料在50%存活率時，

107疲勞極限為σ-1（50%）=261MPa；

2x106循環時疲勞強度σ（2&6）（50%）=297MPa。

按16Mn 50%存活率S-N曲線，疲勞安全系數為1.5～1.8[6]，為了簡化計算，按單軸載荷考慮，文章疲勞安全系數取1.8。

牽引座在一個加載循環周期內，應力危險點的最大應力σmax、最小應力σmin、應力幅σa、平均應力σm見表5所示，按單軸應力簡化考慮，其中：

對于牽引座結構，計算疲勞安全系數：

式中：

由于采用有限元仿真計算應力，已考慮材料的應力集中現象，有效應力集中系數Κσ取1[7]；

尺寸系數ε，查表取0.85；

表面系數β，按鍛造取0.65；

不對稱循環系數φa按公式（7）計算：

計算得到，牽引座結構疲勞安全系數n-1=2.5，大于疲勞安全系數1.8，疲勞安全系數滿足要求，牽引座結構在動態疲勞試驗工況下不會發生疲勞破壞。

5 臺架試驗驗證

將牽引座固定在動態疲勞試驗臺架上，并按公式（1）和（2）得到的載荷加載，如圖6所示。經過200萬次載荷循環后，牽引座結構未發生永久變形、斷裂或開裂，狀態完好，牽引座結構疲勞可靠性滿足特種車輛的使用要求。

6 結論

文章針對某90#牽引座結構，利用有限元仿真分析及經典疲勞強度公式分析相結合的方法對其進行了結構疲勞強度校核，并進行了動態疲勞試驗驗證。結果表明，牽引座疲勞強度和可靠性滿足標準GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強度試驗》相關要求，驗證了該分析方法的有效性，為今后牽引座的實際設計和制造提供了一定的借鑒和參考。

參考文獻：

[1]楊通順.半掛牽引車牽引座要覽（上）[J]. 汽車與配件，2004（46）：28-30.

[2]蔡玉強，趙飛，孟欣，等.半掛車牽引座結構強度有限元分析[J].制造業自動化，2014（24）：57-59.

[3]陳韜，伍麗娜，張凱.牽引座疲勞壽命試驗分析[J]. 機械制造，2021 59（46）：73-76.

[4]婁成立，郭世永，婁成玲.半掛車牽引座靜力與疲勞分析[J]. 工藝與裝備，2011（4）：49-51.

[5]洪清泉，趙康，張攀. OptiStruct & HyperStudy 理論基礎與工程應用 [M]. 北京，機械工業出版社，2012.

[6]徐灝.機械設計手冊 疲勞強度設計[M]. 北京，機械工業出版社，1981.

[7]金明新.半掛車牽引座強度要求及其試驗方法[J].專用汽車，2005（1）：43-45.