某皮卡車架拖掛系統(tǒng)疲勞強(qiáng)度性能評(píng)估與優(yōu)化

關(guān)鍵詞：車架；拖掛；疲勞；強(qiáng)度；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.32 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）16-0057-03

DOl：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.16.015

0 引言

皮卡車架托掛系統(tǒng)是用于連接皮卡后端和拖掛式車輛的裝置，其使皮卡能夠牽引房車、拖車和其他設(shè)備等，拓展了皮卡使用功能和應(yīng)用場景。車架和拖掛系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度性能決定了車輛的安全性和可靠性，因此在車架總成設(shè)計(jì)階段，需考核車架和拖掛系統(tǒng)疲勞強(qiáng)度性能。

為了校核某新型皮卡車架拖掛系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度性能，首先基于有限元方法建立車架總成與拖掛系統(tǒng)網(wǎng)格模型，然后根據(jù)定義的工況設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷，獲取其強(qiáng)度塑性應(yīng)變，再根據(jù)疲勞工況求解其疲勞損傷，最后對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得到符合要求的車架拖掛系統(tǒng)。

1建立車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型

截取車架后段，主要包括縱梁外板、縱梁內(nèi)板、內(nèi)板加強(qiáng)板、第五橫梁和第六橫梁，拖掛系統(tǒng)主要包括橫梁、托鉤、后保險(xiǎn)杠安裝支架和與縱梁連接板。將車架總成與拖掛系統(tǒng)三維模型導(dǎo)入至有限元前處理軟件Hypermesh[1-2]中，抽取各個(gè)零部件的中心面，并作幾何清理，清理微小特征，保留幾何表面。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，采用 5mm 四邊形單元對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。螺栓連接采用RBE2單元模擬，焊縫連接采用垂直對(duì)齊的四邊形單元模擬。車架縱梁材料為QSTE420，拖掛與縱梁連接板材料為QSTE460。根據(jù)各個(gè)零部件的材料和厚度創(chuàng)建并賦予對(duì)應(yīng)的材料屬性，最終建立車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型，如圖1所示。

圖1車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型

2 強(qiáng)度性能分析與評(píng)價(jià)

2.1 美標(biāo)強(qiáng)度工況

美標(biāo)強(qiáng)度工況如下：

1）施加垂直向下拉力 13kN ，同時(shí)施加縱向拉力14kN 2）施加縱向拉力 12kN ，同時(shí)施加垂直向下拉力8kN

3）施加橫向拉力 7kN 。

所有力的作用均沿著貫穿在球中心的軸。所有作用力的運(yùn)用均以不大于 0.667kN/s 為開始，并在到達(dá)最大特定作用力時(shí)保持至少 5s □

基于車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型，采用Abaqus軟件[3-4]約束車架截取端面和板簧支座安裝點(diǎn)的所有自由度，分別施加對(duì)應(yīng)的力，得到其塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖2所示。

通過圖2可知，車架的最大塑性應(yīng)變?yōu)?0.2% ，拖掛系統(tǒng)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?0.23% ，目標(biāo)要求小于 2% 因此滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2美標(biāo)工況塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.2 國標(biāo)強(qiáng)度工況

國標(biāo)強(qiáng)度工況如下：

1）施加縱向拉力 37kN

2）施加橫向拉力 13kN

3）施加垂向拉力 7kN

采用同樣的有限元模型，加載相應(yīng)的載荷，得到車架和拖掛的最大塑性應(yīng)變分別為 0.94% 和 0.52% 如圖3所示，同樣也符合工程要求。

2.3 托鉤強(qiáng)度工況

托鉤強(qiáng)度工況如下：1）施加縱向水平拉力 75kN 2）向上 15^° 施加縱向拉力 45kN 3）向左 35^° 施加縱向拉力 45kN 。

加載速度 15mm/min ，水平工況加載1次，其余工況加載50次；不允許開裂、開焊，拖鉤及周邊件不脫落。基于車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型，加載對(duì)應(yīng)的約束和載荷。由圖4可知，車架的最大塑性應(yīng)變?yōu)?9.3% ，超過了材料的斷后延伸率 （21%） ，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。拖掛系統(tǒng)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?16.9% ，小于材料的斷后延伸率 （19%） ，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 國標(biāo)工況塑性應(yīng)變?cè)茍D

3疲勞性能分析與評(píng)價(jià)

疲勞工況如下：

1）X 向加載 15kN ，Y向加載 2kN ，Z向加載 6kN 循環(huán)1000次；2）X 向加載 14kN ，Y向加載 2kN ，Z向加載 5kN 循環(huán)5000次；3）X 向加載 12kN ，Y向加載 2kN ，Z向加載 4kN 循環(huán)45000次。

基于車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型，分別加載 X 向、Y向和Z向?qū)?yīng)的載荷，并將其導(dǎo)入nCode軟件中[5-6]，根據(jù)材料的屈服和抗拉值擬合出S-N曲線，按照疲勞工況定義三種工況的循環(huán)次數(shù)，得到車架和拖掛系統(tǒng)的疲勞損傷云圖，如圖5所示。

通過圖5可以得知，車架的疲勞損傷達(dá)到了3.63，超過了目標(biāo)值1，不符合設(shè)計(jì)要求。拖掛的疲勞損傷為0.56，滿足工程標(biāo)準(zhǔn)。

4 優(yōu)化改進(jìn)

通過疲勞強(qiáng)度性能分析可知，車架后端螺栓孔的塑性應(yīng)變和疲勞損傷均超過了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，綜合成本和重量等因素，在車架縱梁內(nèi)側(cè)增加一塊長 20cm 、寬 15cm 的加強(qiáng)板，焊接在縱梁內(nèi)側(cè)。采用同樣的分析方法得到優(yōu)化之后托鉤強(qiáng)度工況下車架的最大塑性應(yīng)變，降低至 19.6% ，如圖6所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5疲勞損傷云圖

圖7所示為優(yōu)化之后疲勞損傷云圖。車架疲勞損傷降低至0.676，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文采用有限元方法建立車架總成與拖掛系統(tǒng)有限元模型，分別根據(jù)美標(biāo)、國標(biāo)和托鉤工況，對(duì)車架總成與拖掛系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度性能分析，得到其強(qiáng)度塑性應(yīng)變值，車架的最大塑性應(yīng)變?yōu)?69.3% ，超過了材料斷后延伸率，不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，拖掛系統(tǒng)的最大塑性應(yīng)變?yōu)?16.9% ，符合工程要求?；谄谘h(huán)工況，車架的損傷為3.63，拖掛系統(tǒng)的損傷為0.56，目標(biāo)要求小于1。通過在縱梁內(nèi)側(cè)焊接一塊小加強(qiáng)板，增強(qiáng)其局部疲勞強(qiáng)度性能，優(yōu)化之后車架的塑性應(yīng)變降低至 19.6% ，疲勞損傷減小至0.676，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該分析方法具有重要的實(shí)際工程意義，同時(shí)也為同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的參考和理論支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王彥婷，劉海娜，王凱.基于HyperMesh應(yīng)變速率對(duì)零件材料性能影響分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2024（6）：242-245.

[2]于翰林，毛洪海.基于HyperMesh的某商用車白車身模態(tài)研究［J].汽車實(shí)用技術(shù)，2023，48（10）：66-69.

[3]王衛(wèi)，廖映華，劉科，等.基于ABAQUS的前側(cè)車門外板抗凹性分析[J].汽車工藝與材料，2025（3）：40-47.

[4]王志雄，趙凱，史永運(yùn)，等.基于Abaqus的篦齒封嚴(yán)中的襯套碰磨數(shù)值研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2025，54（2）：186-191.

[5]喬雪濤，盛坤，李優(yōu)華，等.基于WorkBench和nCode的擺線輪疲勞壽命及可靠性分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2024，46（6）：1458-1464.

[6]李長江，周井玲，許波兵.基于ANSYS與nCode的損傷鉆桿疲勞壽命分析[J].現(xiàn)代制造工程，2023（5）：85-90.