基于數(shù)值模擬的汽車底盤大梁架壽命評(píng)價(jià)方法

李 兵

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237000）

基于數(shù)值模擬的汽車底盤大梁架壽命評(píng)價(jià)方法

李 兵

（六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽 六安 237000）

為了降低試驗(yàn)成本，通過還原汽車行駛過程中的受載情況，得到底盤大梁架的載荷譜。再用大型有限元分析軟件Abaqus建立車架的有限元模型，賦予有限元模型與實(shí)際梁架一致的材料及載荷形式并進(jìn)行應(yīng)力分析。之后將有限元分析的結(jié)果信息以及載荷譜導(dǎo)入專業(yè)壽命評(píng)價(jià)軟件Ncode中運(yùn)行，得到底盤大梁架的疲勞可靠性分析結(jié)果并與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，最后給出底盤大梁架的壽命次數(shù)。

S-N曲線；有限元分析；可靠性分析

CLC NO.:U467.3Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-152-02

前言

非承載式車身的汽車有一剛性車架，又稱底盤大梁架。在非承載式車身中發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分，車身等總成部件都是用懸架裝置固定在車架上，車架通過前后懸架裝置與車輪連接。非承載式的懸掛不是直接連在車身上，而是連在車架上，車架上面再扣上一個(gè)車身。它的優(yōu)點(diǎn)就是有獨(dú)立的大梁，底盤強(qiáng)度較高，抗顛簸性能好，此外四個(gè)車輪受力再不均勻，也是由車架承擔(dān)，而不會(huì)傳遞到車身上。大梁架在汽車運(yùn)行過程中受到來自車身以及路面的載荷作用，受載形式較為復(fù)雜。如何準(zhǔn)確的判斷梁架在工作情況下的可靠性以較少危險(xiǎn)的發(fā)生，并給出貼合實(shí)際的評(píng)價(jià)方法具有很大的工程意義。

1、基本S-N理論方法介紹

按照作用的循環(huán)應(yīng)力的大小，疲勞可分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。若最大循環(huán)應(yīng)力Smax小于屈服應(yīng)力Sy，則稱為應(yīng)力疲勞。因?yàn)樽饔玫难h(huán)應(yīng)力水平較低，壽命循環(huán)次數(shù)較高（疲勞壽命Nf一般大于104次），故也稱為高周疲勞。目前，應(yīng)力疲勞壽命理論仍是結(jié)構(gòu)件疲勞壽命設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

最早，19世紀(jì)德國(guó)工程師Wohler為解決火車軸的斷裂問題，在控制載荷的條件下測(cè)定第一條疲勞壽命曲線（S-N曲線）以來，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)有一百多年的歷史。描述材料S-N曲線最常用的二參數(shù)形式為：

式中：m，C——與材料、應(yīng)力比、加載方式等有關(guān)的參數(shù)。兩邊取對(duì)數(shù)，有：

式中：A——材料參數(shù)，A=1gC/m；

B——材料參數(shù)，B=—1/m。

（2）式表示的應(yīng)力S與壽命N之間有對(duì)數(shù)線性關(guān)系。

根據(jù)陳傳堯[1]提出的無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)S-N曲線的估計(jì)，有：

式中：Su——材料極限強(qiáng)度，Mpa；

K——反應(yīng)不同載荷作用形式的系數(shù)。

具體選擇依據(jù)下表[2]：

表1 載荷作用系數(shù)K值對(duì)應(yīng)表

把式（3）算的的參數(shù)值代入（1）式即可得到梁構(gòu)件的壽命值。

2、實(shí)例分析

某產(chǎn)生產(chǎn)車架使用材料為16Mn鋼，它是一種低合金高強(qiáng)度鋼，在機(jī)械工程結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。其實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)如下表：

表2 16Mn鋼彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析表

此梁架在工作過程中受到的載荷為150Mpa對(duì)稱循環(huán)載荷。

2.1 使用基本S-N法計(jì)算

此材料在承受應(yīng)力幅值為300Mpa的彎曲循環(huán)載荷時(shí)，根據(jù)式（1）、（3），其壽命計(jì)算如下：

計(jì)算值為N=2.326×105次。

2.2 使用Abaqus和Ncode聯(lián)合進(jìn)行有限元分析

2.2.1 Abaqus模型分析

Abaqus是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的軟件，其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題[3]。 在Abaqus中對(duì)鋼板試件施加應(yīng)力幅值為300Mpa的恒福對(duì)稱循環(huán)載荷，模型所用材料為碳鋼合金，極限強(qiáng)度為1200Mpa，屈服強(qiáng)度為954Mpa，彈性模量為2.1e6Mpa，泊松比為0.3。網(wǎng)格單元類型為C3D8R，單元數(shù)為13208個(gè)。對(duì)梁架其進(jìn)行受力分析并建立有限元模型，模型的有限元網(wǎng)格如圖1所示：

圖1 底盤大梁架網(wǎng)格模型

提交進(jìn)行后得到結(jié)果文件，保存文件為.odb格式，包含單元信息。

2.2.2 Ncode疲勞壽命計(jì)算

英國(guó)恩科（Ncode）國(guó)際有限公司是國(guó)際著名的疲勞耐久性工程專業(yè)公司和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者[4]。在Ncode中設(shè)置材料名稱為16Mn鋼，材料極限強(qiáng)度261Mpa，彈性模量為2.1e5Mpa；將Abaqus中的應(yīng)力結(jié)果及單元信息導(dǎo)入Ncode中進(jìn)行應(yīng)力疲勞壽命分析。

得到前段斜架危險(xiǎn)部位壽命云圖如圖2所示。從圖中數(shù)據(jù)可知此底盤大梁架在所受應(yīng)力幅下的最大壽命是26000次。

圖2 梁架危險(xiǎn)部位壽命顯示值

對(duì)疲勞分析結(jié)果進(jìn)行后處理，得到如下壽命表3：

表3 壽命顯示結(jié)果

根據(jù)表3分析可知：此大梁架在300Mpa的恒幅對(duì)稱循環(huán)載荷下的壽命為2.6e5次。

3、結(jié)論

由以上計(jì)算可知，在同一模型下二參數(shù)方法的計(jì)算結(jié)果為N=2.326×105次，數(shù)值模擬結(jié)果為N=2.6×105次。將二參數(shù)法的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比可知：在試驗(yàn)工況下，此底盤大梁架的保守壽命為232600次循環(huán)載荷的作用。參考相關(guān)車型的使用標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家公路可判斷此梁架的安全性能。據(jù)此，在實(shí)際評(píng)估底盤大梁架的可靠性時(shí)，為減少試驗(yàn)成本，可以采用理論計(jì)算與有限元仿真結(jié)合的方法進(jìn)行大梁架的評(píng)估，最終達(dá)到既能滿足使用安全要求又能降低試驗(yàn)成本的目的。

[1]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社.2002：21.

[2]Zheng X L. A further study on fatigue crack initiation life—Mechanical model for fatigue crack initiation. Internationai Journal of Fatigue, 1986 ,8(1)：17-21.

[3]趙騰倫.Abaqus6.6在機(jī)械工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社.2007：277～285.

[4]Ncode User Manual (Version 9.0)[K].英國(guó)ncode公司,2013.

An analysis method of automobile chassis beam’s reliability

Li Bing
( Liuan vocational and technical college in automobile and mechanical and electrical engineering college, Anhui Liuan 237000 )

In order to reduce the cost of text,through the load reduction in automobile driving process,recieve load spectrum of the chassis beam. Using the large finite element analysis software Abaqus to establish the model of the frame, Given the finite element model the actual beam consistent material and the loading type for stress analysis.Import the finite element information and load spectrum into professional life assessment software Ncode and run it, finally get the analysis results of reliability analysis from the chassis beam.Than compaerd with the theoretical results and show the life of the chassis frame.

S-N curve; Finite element analysis; Reliability analysis

U467.3

A

1671-7988(2017)02-152-02

李兵，（1989-），男，大學(xué)本科，輔導(dǎo)員，助教，就職于六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其結(jié)構(gòu)可靠性分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.052