基于虛擬載荷譜的車橋結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算

王鵬利

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)的舒適性、安全性越來(lái)越受到人們的重視，每開(kāi)發(fā)一種新車型，都需要在道路試車廠中對(duì)車輛進(jìn)行疲勞耐久性試驗(yàn)，這種方法耗費(fèi)較多時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，不能適應(yīng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)在各行業(yè)中應(yīng)用廣泛。

車橋通過(guò)懸架與車架相連，是車輛承載的重要部件，車橋的疲勞破壞都是在高水平應(yīng)力的持續(xù)作用下發(fā)生的隨機(jī)疲勞破壞，隨機(jī)疲勞破壞一般采用基于功率譜密度的頻域分析法。

1 隨機(jī)載荷譜

考慮車橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問(wèn)題，主要是得到其載荷譜。輪胎對(duì)車橋產(chǎn)生直接激勵(lì)，而輪胎受到的激勵(lì)是由于隨機(jī)路面不平度引起。

目前，路面不平度的虛擬仿真方法主要有諧波疊加法、積分單位白噪聲法、濾波整形白噪聲法以及利用ARMA模型的方法。這些方法所得路面不平度數(shù)據(jù)存在一定誤差。文章采用傅立葉變換及數(shù)據(jù)采樣定理獲得路面不平度數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到ANSYS的隨機(jī)振動(dòng)分析模塊中。

設(shè)xm是路面不平度的采樣數(shù)據(jù)，則其離散傅立葉變換為

Xk的離散傅立葉變換的模值為

對(duì)Xk進(jìn)行離散傅立葉逆變換可得路面不平度

圖1 F級(jí)路面不平度曲線

地面作用于輪胎的激勵(lì)時(shí)間頻率下限fl=0.1Hz，上限fu=30Hz，車輛響應(yīng)的頻率范圍為0.5～20Hz，車輛的平均車速ν=m/s，車輛的行駛路況以F級(jí)路面等級(jí)進(jìn)行模擬，F(xiàn)級(jí)路面不平度系數(shù)Gd（n0）=16384。用該算法求得沿車輛行駛方向500m的路面不平度曲線，如圖1所示。

2 車橋模型的建立與分析

車橋材料為高強(qiáng)度鋼42CrMo，單元類型為Solid92單元，對(duì)局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃，得到12956個(gè)單元。模態(tài)分析求得車橋結(jié)構(gòu)前10階固有頻率，如表1所示。

表1 車橋結(jié)構(gòu)前10階固有頻率

3 車橋疲勞強(qiáng)度分析

Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累積損傷理論的損傷公式為：

通過(guò)前面的計(jì)算和通用后處理器觀察可知，載荷步（load step）1的第十個(gè)子步1σ的最大Von miss應(yīng)力值為245.523 MPa，如圖2所示。在該路況下，分別求出結(jié)構(gòu)平均振動(dòng)頻率和nσ值，取總體損傷D=1，代入總體損傷公式（4）可得：T=2.77×104小時(shí)，即該工程車輛累積行駛約9.97×105km。

圖2 F級(jí)路面上車橋結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)虛擬仿真的方法對(duì)路面不平度進(jìn)行研究，得到路面不平度數(shù)據(jù)。并應(yīng)用ANSYS的隨機(jī)振動(dòng)分析模塊，進(jìn)行模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析并得到了1σ的最大應(yīng)力值為245.532MPa，結(jié)合Steinberg提出的基于高斯分布和Miner線性累積損傷理論的三區(qū)間法對(duì)車橋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

［1］徐占，過(guò)學(xué)迅，汪斌.標(biāo)準(zhǔn)路面譜重構(gòu)及軟件實(shí)現(xiàn)［J］.設(shè)計(jì)·研究，2009，（3）：23-26.