基于有限元法的某車架疲勞損傷預(yù)估

劉建樹

摘要：針對(duì)車架的疲勞失效現(xiàn)象，以某型號(hào)車架為研究對(duì)象建立車架結(jié)構(gòu)有限元模型，在MSC.Nastran中進(jìn)行慣性釋放分析獲得應(yīng)力分布，然后定義特定載荷譜，基于材料S-N曲線和準(zhǔn)靜態(tài)疲勞分析方法，利用疲勞仿真軟件nCode DesignLife預(yù)估其疲勞損傷，為車架的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：車架;疲勞損傷;有限元法;慣性釋放

0? 引言

車架是汽車裝配和承載的基體，支撐著汽車簧上所有部件、總成、人員以及貨物， 同時(shí)承受各種路況下路面不平度激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)[1]。其抗疲勞性能好壞，直接關(guān)系到汽車行駛安全。傳統(tǒng)汽車疲勞分析方法，主要針對(duì)車架進(jìn)行整車試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，且產(chǎn)品定型后結(jié)構(gòu)修改困難。因此在車架設(shè)計(jì)階段采用虛擬仿真對(duì)車架進(jìn)行疲勞分析成為必要，本文以某車架為研究對(duì)象，計(jì)算在特定時(shí)間序列載荷下車架結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

1? 車架應(yīng)力分析

1.1 車架有限元模型

該車架為邊梁梯形式車架，由左右2根縱梁、5根橫梁、前軸加強(qiáng)梁、懸架支撐、車身貨箱支架等組成。車架材料為16Mn鋼，彈性模型為210000MPa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，屈服強(qiáng)度360MPa，抗拉強(qiáng)度極限510 ～610MPa[2]。車架承受的來(lái)自車內(nèi)各項(xiàng)載荷如表1所示。

為準(zhǔn)確模擬車架，采用殼單元模擬車架，質(zhì)量單元模擬車架各總成部件、梁?jiǎn)卧M板簧、彈簧單元模擬輪胎，其中鉚接部分用實(shí)體單元加RBE3模擬，有限元模型共有162829個(gè)節(jié)點(diǎn)，15570個(gè)CQUAD4和CTRIA3單元，740個(gè)CHEXA單元，5819個(gè)RBE3單元，122個(gè)RBE2單元，7個(gè)CONM2單元，4個(gè)CBEAM單元，4個(gè)CELAS2單元。車架有限元模型如圖1所示。

1.2 慣性釋放

在車架的靜力學(xué)分析，約束位置不合理設(shè)置常造成約束反力過(guò)大，局部應(yīng)力集中。利用慣性釋放方法對(duì)自由結(jié)構(gòu)（車架）進(jìn)行分析，可以消除約束反力對(duì)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的影響[3]。慣性釋放是在具有剛性位移的物體施加慣性力，用慣性力平衡物體的主動(dòng)力，使物體仍處于平衡狀態(tài)。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)微分方程：

求解上式可以得到節(jié)點(diǎn)加速度，進(jìn)而求得施加在節(jié)點(diǎn)上的慣性力。將慣性力和主動(dòng)力同時(shí)施加上，則可構(gòu)造自平衡力系，這樣計(jì)算不必強(qiáng)調(diào)約束條件，從而不會(huì)影響結(jié)構(gòu)局部變形和避免應(yīng)力集中，更符合實(shí)際情況。

1.3 有限元分析

為確定載荷施加點(diǎn)，首先確定車架與底盤連接點(diǎn)。該車前懸架形式為雙橫臂獨(dú)立懸架，后懸架為鋼板彈簧非獨(dú)立懸架形式。路面對(duì)前輪的垂向力通過(guò)前懸架彈簧傳遞到車架前懸架支架上，對(duì)后輪的垂向力通過(guò)鋼板彈簧傳遞到板簧前后支架上。因此本文選取此4處施加垂向單位載荷[4]。分析時(shí)設(shè)置控制參數(shù)“PARA，INREL，-2”進(jìn)行慣性釋放計(jì)算，獲得單位載荷下4種工況車架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的靜應(yīng)力影響因子。

2? 疲勞壽命預(yù)測(cè)

2.1 定義載荷譜

汽車行駛中，車架受到各種路況下路面不平順隨機(jī)激勵(lì)。車架載荷一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法獲取，限于實(shí)驗(yàn)條件所限，本文假設(shè)車架受到理想三角波載荷[5]，其峰谷值如圖2所示。

2.2 定義材料參數(shù)

車架疲勞問(wèn)題屬于高周疲勞，本文利用名義應(yīng)力法預(yù)測(cè)疲勞壽命。車架材料16Mn鋼，通過(guò)材料強(qiáng)度預(yù)估S-N曲線，在nCode軟件中參數(shù)UTS取586MPa，SRI1取2300 MPa，b1取-0.1339，Nc1取1E6，b2取0，RR取-1，S-N曲線如圖3所示。

2.3 疲勞可靠性分析

由于編制的載荷譜頻率遠(yuǎn)低于車架固有頻率，故采用準(zhǔn)靜態(tài)法獲取車架結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力。把車架應(yīng)力結(jié)果文件導(dǎo)入nCode軟件中，選用絕對(duì)值最大主應(yīng)力作為評(píng)價(jià)應(yīng)力，將編制的4通道載荷譜分別賦予4種應(yīng)力分析工況，進(jìn)行疲勞壽命分析。

由于載荷譜為編制而非車架真實(shí)試驗(yàn)獲取，因此選用疲勞損傷來(lái)評(píng)價(jià)車架相對(duì)疲勞強(qiáng)度的分布。損傷最大的前5個(gè)節(jié)點(diǎn)損傷程度和位置如表2所示，危險(xiǎn)部位疲勞損傷云圖如圖4所示。

從表上可以看出，509727號(hào)節(jié)點(diǎn)疲勞損傷最大為9.00E-06，循環(huán)次數(shù)最少為1.11E05，該節(jié)點(diǎn)位于鋼板彈簧安裝座上，此處結(jié)構(gòu)突變是結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度最低的地方。編號(hào)497273、497280、490811、497272號(hào)節(jié)點(diǎn)疲勞損傷次之，4個(gè)節(jié)點(diǎn)位于車架第二橫梁上發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成安裝支座安裝孔周圍。針對(duì)車架結(jié)構(gòu)疲勞薄弱處，一般可采用增大鋼板彈簧安裝座過(guò)渡圓弧半徑或增加板厚的辦法進(jìn)行優(yōu)化。

3? 結(jié)論

本文利用慣性釋放和準(zhǔn)靜態(tài)法對(duì)車架疲勞損傷進(jìn)行分析、計(jì)算、研究，能簡(jiǎn)單快速的獲得車架相對(duì)疲勞損傷，用于在缺少整車試驗(yàn)或臺(tái)架試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)情況下預(yù)估車架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。采用該方法預(yù)測(cè)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)壽命，能為車架設(shè)計(jì)前期提供指導(dǎo)，亦能為車架的優(yōu)化提供一定工程參考。

參考文獻(xiàn)：

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