針對(duì)某車(chē)架的強(qiáng)度分析及應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

張華黨

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心試驗(yàn)部)

?

針對(duì)某車(chē)架的強(qiáng)度分析及應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

張華黨

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心試驗(yàn)部)

摘要：本文針對(duì)某車(chē)架道路可靠性試驗(yàn)出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題，分別進(jìn)行了車(chē)架修改前后的強(qiáng)度分析和應(yīng)力－應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果顯示，強(qiáng)度分析和檢測(cè)試驗(yàn)的應(yīng)力數(shù)值有些偏差，但應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致。同時(shí)，結(jié)構(gòu)修改后的強(qiáng)度好于原結(jié)構(gòu)，由此證明了仿真分析加物理測(cè)試是有效的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及優(yōu)化手段。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試；開(kāi)裂；有限元分析；車(chē)架

一、前言

有限元方法是工程中解決復(fù)雜問(wèn)題的一種有效的近似數(shù)值分析方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法被越來(lái)越多地應(yīng)用于工程實(shí)踐中，尤其是汽車(chē)和航空航天領(lǐng)域。同時(shí)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及優(yōu)化過(guò)程中，產(chǎn)品的物理試驗(yàn)仍發(fā)揮著重要作用，并永遠(yuǎn)不可能被CAE分析徹底取代。

本文結(jié)合以上兩種技術(shù)，針對(duì)某車(chē)架在道路可靠性試驗(yàn)發(fā)生的開(kāi)裂故障，對(duì)車(chē)架局部開(kāi)裂處分別進(jìn)行了修改前后的強(qiáng)度對(duì)比分析和檢測(cè)試驗(yàn)，有效地改善了車(chē)架開(kāi)裂處強(qiáng)度，提供了仿真分析及物理測(cè)試手段在車(chē)架領(lǐng)域的成功應(yīng)用范例。

二、車(chē)架開(kāi)裂位置及結(jié)構(gòu)

（一）車(chē)架開(kāi)裂位置

某型號(hào)載貨試驗(yàn)車(chē)輛在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行8000km可靠性試驗(yàn)，當(dāng)車(chē)輛在強(qiáng)化路面行駛至3895km時(shí)，發(fā)現(xiàn)該載貨試驗(yàn)車(chē)前減振器支架與車(chē)架固定螺栓孔處開(kāi)裂，車(chē)架開(kāi)裂處為車(chē)輛前減振器支架與車(chē)架固定螺栓孔處，具體開(kāi)裂部位如圖1所示。建議將其由原來(lái)的單層鋼板改為局部增加加固板。試驗(yàn)車(chē)輛整車(chē)總質(zhì)量為4.5噸，強(qiáng)化路面路況較差，強(qiáng)化系數(shù)為15（強(qiáng)化路與一般公路的折合比例為1：15）

圖1　減振器支架處縱梁開(kāi)裂位置（試驗(yàn)車(chē)照片）

（二）車(chē)架開(kāi)裂處結(jié)構(gòu)

減振器支架是一個(gè)鑄件結(jié)構(gòu)，其與縱梁連接部分尺寸為90mm×90mm，此處縱梁為5mm的單層鋼板。減振器支架與縱梁是通過(guò)4個(gè)M10的螺栓聯(lián)結(jié)的，聯(lián)結(jié)孔距分別為腹面60mm、車(chē)架上翼面60mm。減振器支架與車(chē)架聯(lián)結(jié)處具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖3　減振器支架與車(chē)架聯(lián)結(jié)處具體結(jié)構(gòu)

（三）車(chē)架材料屬性

該車(chē)架材料為高強(qiáng)度鋼QSTE500，其材料屬性見(jiàn)表1。

表1　材料屬性

三、強(qiáng)度分析

（一）計(jì)算模型建立

采用UG三維軟件建立車(chē)架總成實(shí)體模型，并將各個(gè)零部件保存為IGES格式。由于車(chē)架結(jié)構(gòu)對(duì)稱，為了減少網(wǎng)格劃分的工作量，僅保留幾何模型的一半，采用Hyper Works中的Batch Mesher對(duì)IGES文件進(jìn)行中性面抽取和網(wǎng)格劃分，對(duì)導(dǎo)入的車(chē)架模型進(jìn)行幾何質(zhì)量分析與修整。車(chē)架縱梁和橫梁是通過(guò)鉚接聯(lián)結(jié)的，建模時(shí)采用剛性梁?jiǎn)卧B接。采用反映主從關(guān)系的剛性單元Rbe2模擬零件間的焊接與螺栓連接。最后采用Hyper Works中Tool下的Reflect構(gòu)成整個(gè)車(chē)架有限元模型，如圖4所示。

圖4　車(chē)架有限元模型

（二）參數(shù)模擬

車(chē)架總成主要載荷包括：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置處的載荷，減振器支架處的載荷以及前后板簧剛度模擬。計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)剛性單元將載荷加到相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)上，主要載荷如下：

（1）動(dòng)力總成：由動(dòng)力總成分配至發(fā)動(dòng)機(jī)前后懸置處的載荷為2700N；

（2）減振器支架處載荷：減振器作用支架處的推力為2000N；

（3）貨箱及載重量：28000N；

（4）油箱及蓄電池重量：450N和200N。

（三）修改前后強(qiáng)度分析

1．修改前后車(chē)架強(qiáng)度分析

基于鑄件剛度過(guò)大而縱梁局部相對(duì)剛度較小現(xiàn)狀，可增強(qiáng)縱梁局部剛度，降低了由于剛度差異較大引起的應(yīng)力集中，改動(dòng)相對(duì)較為容易。通過(guò)可行性分析，決定采用增加縱梁加固板的方式提高車(chē)架此處強(qiáng)度。

在開(kāi)裂車(chē)架的減振器支架連接處，于車(chē)架內(nèi)側(cè)增加厚度為4mm的加強(qiáng)板，由此導(dǎo)致整個(gè)車(chē)架的應(yīng)力分布變化，建立有限元模型與開(kāi)裂車(chē)架進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

圖5　兩種車(chē)架總成有限元模型

對(duì)比分析結(jié)果如圖6所示，采用局部加固板與原車(chē)架最大應(yīng)力均為244Mpa左右，應(yīng)力分布一致，即改進(jìn)后的車(chē)架對(duì)車(chē)架整體應(yīng)力分布基本沒(méi)有影響。然而，采用局部加固板車(chē)架處于前減震器支架處的車(chē)架應(yīng)力有所降低，有必要對(duì)局部加強(qiáng)處的應(yīng)力分布和數(shù)值進(jìn)行分析。

圖6　三種車(chē)架總成應(yīng)力云圖

2．修改前后開(kāi)裂處車(chē)架強(qiáng)度局部分析

對(duì)減振器支架處進(jìn)行局部分析如圖7所示，從圖中我們可以看出：開(kāi)裂車(chē)架的最大應(yīng)力為180.5Mpa，出現(xiàn)在縱梁與減振器連接處。同時(shí)，從應(yīng)力云圖上可以看出開(kāi)裂處應(yīng)力集中非常明顯，這與開(kāi)裂位置基本一致；采用局部加固板的車(chē)架應(yīng)力減小為137Mpa，下降了24%。

四、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試

有限元分析顯示，在前減振器支架處增加局部加固板理論上可以取得顯著效果?？紤]到CAE是一種近似數(shù)值分析方法，有必要對(duì)修改前后車(chē)架的實(shí)際應(yīng)力分布及數(shù)值大小進(jìn)行道路應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，尤其是前減振器支架處車(chē)架應(yīng)力情況。

圖7　減振器支架與車(chē)架連接處局部應(yīng)力分布

（一）測(cè)試原理

電阻應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是利用電阻應(yīng)變片測(cè)量構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力分析方法。

（二）測(cè)試設(shè)備

本測(cè)試采用32點(diǎn)高速程控電阻應(yīng)變儀，最高采樣速度1200點(diǎn)/秒；箔式電阻應(yīng)變片，阻值120Ω，靈敏度系數(shù)2.0；連接導(dǎo)線為超六類(lèi)屏蔽雙絞線，裸銅線徑0.51mm，單根導(dǎo)線長(zhǎng)6m。

（三）測(cè)試工況

通過(guò)選取車(chē)輛進(jìn)行道路可靠性試驗(yàn)的工況作為本次應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試的試驗(yàn)工況，即車(chē)輛在某試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路各路面按可靠性試驗(yàn)要求行駛。試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路面包括：窨井群、瀝青路、減速坎、鐵道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石塊路、卵石路、魚(yú)鱗坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路。

（四）測(cè)試方法

本測(cè)試取在車(chē)架取20個(gè)關(guān)鍵部位貼應(yīng)變片，所有測(cè)點(diǎn)均采用1/4橋連接；所有部位應(yīng)變片均采用單向片，車(chē)架具體貼片位置見(jiàn)圖8。車(chē)輛通過(guò)強(qiáng)化路每種路面時(shí)，即實(shí)時(shí)對(duì)所有應(yīng)變片位置處車(chē)架應(yīng)變完成測(cè)試。

圖8　車(chē)架應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置

（五）測(cè)試結(jié)果

由單項(xiàng)應(yīng)力狀態(tài)下的胡克定律可得：

σ=Eε（1）

式中：

E——與材料有關(guān)的比例常數(shù)，稱為彈性模量

ε——應(yīng)變

σ——應(yīng)力

由表1可知QSTE500彈性模量E=210 GPa。

通過(guò)應(yīng)變測(cè)試及公式（1），可以得出車(chē)架應(yīng)變片粘貼部位的實(shí)際應(yīng)力分布情況，由于測(cè)量點(diǎn)較多，現(xiàn)在重點(diǎn)列舉前后懸架、減振器主要受力點(diǎn)的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)表2測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，車(chē)架增加局部加固板后，減振器支架與車(chē)架連接開(kāi)裂處（應(yīng)力測(cè)試通道19和20)應(yīng)力由194.89MPa下降至142.73MPa，應(yīng)力下降幅度為31%，車(chē)架可靠性明顯提高。

車(chē)架增加局部加固板后，車(chē)架重點(diǎn)受力部位應(yīng)力分布較為均勻，除開(kāi)裂處較修改前應(yīng)力有明顯變化，其余部位均變化不大，說(shuō)明增加加固板對(duì)車(chē)架整體應(yīng)力分布沒(méi)有影響。

由于模型的簡(jiǎn)化及實(shí)際道路工況的復(fù)雜性，車(chē)架修改前后有限元分析結(jié)果與應(yīng)力測(cè)試結(jié)果存在偏差。有限元分析結(jié)果稍微小于應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，但是整體趨勢(shì)相同。

同時(shí)為了檢驗(yàn)修改效果，在后續(xù)的4000km強(qiáng)化路面試驗(yàn)中每天進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，該處縱梁以及加固板未出現(xiàn)新的裂紋，原有裂紋也沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)大，說(shuō)明修改措施有效。

表2　試驗(yàn)測(cè)試與有限元分析應(yīng)力結(jié)果

五、結(jié)論

CAE分析方法是一種近似的數(shù)值分析方法，其模型較為理想化，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工程部件使用的復(fù)雜情況，但是通過(guò)對(duì)部件進(jìn)行CAE分析能確定部件近似應(yīng)力分布情況，從而為應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試指明測(cè)試的方向。本文結(jié)合CAE分析和車(chē)輛動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)試方法，成功提高了車(chē)架局部強(qiáng)度，解決了車(chē)架使用中存在的問(wèn)題，證明了仿真分析加物理測(cè)試是有效的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及優(yōu)化手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳健，周福庚，等.輕型卡車(chē)車(chē)架模態(tài)試驗(yàn)及有限元模擬分析研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2009，(32).

[2]馬宇,李育文,等.應(yīng)國(guó)增.EQ6590KS1車(chē)架試驗(yàn)及有限元模擬研究[J].煤礦機(jī)械.2007，(28).

[3]張新占.材料力學(xué)[M].西北工業(yè)大學(xué).2005.

（責(zé)任編輯：袁媛）

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

[文章編號(hào)]1671－802X(2016)02－0027－06

收稿日期：＊2016－03－10

作者簡(jiǎn)介：張華黨（1984－），男，江蘇徐州人，助理工程師，研究方向：汽車(chē)可靠性實(shí)驗(yàn)。E-mail:zhanghuadangPx@163.com.

The Strength Analysis and Stress-Strain Test of a Car Frame

ZHANG Hua-dang
(Product Test Deptment of the Technique Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230022,Anhui)

Abstract:For the crack problem of a car frame during road reliability test,the frame strength analysis and stress-strain test were conducted before and after modification.The results show that some slight differences exist between the strength analysis and test stress values although the stress distribution is consistent.Also,the intensity of the modified structure is better than that of the original structure,which proves that the simulation analysis with the physical test is a valid product development and optimization method.

Key words:stress-strain test;crack;finite element analysis;frame