某卡車橫向推力桿支架的仿真分析及結(jié)構(gòu)改進

趙衛(wèi)艷，李文濤，武小衛(wèi)，田鵬超

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

某卡車橫向推力桿支架的仿真分析及結(jié)構(gòu)改進

趙衛(wèi)艷，李文濤，武小衛(wèi)，田鵬超

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

針對某卡車橫向推力桿支架在試驗場道路試驗中出現(xiàn)早期疲勞斷裂的問題，基于HyperWorks、Femfat兩種軟件構(gòu)造的仿真平臺，對支架進行靜強度分析和疲勞仿真，并將計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果進行對比，驗證了有限元分析結(jié)果的準確性，并找出了支架斷裂的原因。然后對改進后的支架方案進行仿真分析，結(jié)果顯示優(yōu)化方案明顯優(yōu)于原方案。最后將優(yōu)化方案進行了裝車路試，效果顯著，有效解決了支架斷裂的問題。

橫向推力桿支架；仿真分析；試驗測試

CLC NO.:U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-181-04

前言

由于空氣懸架能夠有效改善汽車的行駛平順性和操穩(wěn)性，同時相比傳統(tǒng)的鋼板彈簧懸架具有質(zhì)量小的優(yōu)點，空氣懸架在卡車上的應(yīng)用越來越多。由于空氣懸架只能承受垂向力，不能傳遞縱向力和側(cè)向力，所以空氣懸架需要裝配合適的導(dǎo)向傳力機構(gòu)，橫向推力桿就是用來傳遞橫向推力的，以保證車輛的橫向穩(wěn)定性。橫向推力桿一端安裝在驅(qū)動橋上，另一端通過橫向推力桿支架裝在車架上，傳遞橋與車架之間的橫向力。

某車輛在試驗場綜合路行駛456公里時出現(xiàn)橫橫向推力桿支架斷裂，斷裂位置為支架拐角處，同時導(dǎo)致氣囊開裂失效，車輛無法正常運行。橫向推力桿在車輛運行中，主要承受桿身軸向力，車輛轉(zhuǎn)彎時，橫向推力桿支架受到來自桿身的軸向拉伸或壓縮力。

為了尋找斷裂原因和優(yōu)化方案，對橫向推力桿支架進行了理化分析，同時對橫向推力桿的受力進行了測試，以此作為有限元分析的基礎(chǔ)，為方案改進提供正確的驗證方法，以保證方案改進的有效性。

1、理化檢測

根據(jù)宏觀檢查（圖1），斷口發(fā)生在橫向推力桿支架的四個加強筋根部。其中一處斷口宏觀形貌見圖2所示，斷口稍不平齊，斷面上無明顯的宏觀鑄造缺陷，斷口上可見人字形花紋，人字紋指向斷口下邊緣（斷裂零件外表面）的加強筋根部，斷口上邊緣（斷裂零件內(nèi)表面）可見剪切唇。因此可以初步判定支架是由于根部的應(yīng)力集中從而造成斷裂。

圖1 斷裂件宏觀形貌

圖2 斷口宏觀形貌

斷裂零件基體硬度平均為193HBW5/750。在斷裂零件斷裂處附近進行微觀檢查，零件石墨球化及大小均無異常，石墨大小可評為3級，球化級別可評為6級，見圖所示。基體組織為鐵素體+珠光體，珠光體量為珠35，見圖3和圖4所示，微觀未見鑄造缺陷、碳化物、磷共晶等。理化分析結(jié)果顯示，斷裂零件化學(xué)成分、金相組織、硬度均無異常，符合設(shè)計要求。

因此該支架材料及鑄造未發(fā)現(xiàn)明顯問題，因此需對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖3 石墨形態(tài)

圖4 基體組織

2、應(yīng)變測試

2.1 試驗設(shè)備

應(yīng)變片、直角應(yīng)變花、筆記本電腦及32通道數(shù)據(jù)采集儀。

2.2 試驗設(shè)計

對于承受二向應(yīng)力且主應(yīng)力方向難以判定的截面，一般選用直角應(yīng)變花，而對于已知應(yīng)力方向且為單向受力的截面，選用單向應(yīng)變片，電阻值控制在120±0.3Ω范圍內(nèi)，靈敏度系數(shù)經(jīng)事先標(biāo)定為2.19。結(jié)合橫向推力桿斷裂現(xiàn)象及有限元分析結(jié)果，確定測點及其布置，共設(shè)計7個測點，分別為橫向推力桿桿身中心位置（應(yīng)變片，測點1、2、3）、橫向推力桿支架四個試驗斷裂點位置（應(yīng)變花，測點4、5、6、7），具體的測點位置和應(yīng)變花方向如圖5和圖6所示。橫向穩(wěn)定桿桿身貼片是為了根據(jù)測得的軸向微應(yīng)變得到橫向推力桿的軸向受力，橫向推力桿支架貼應(yīng)變花是為了測得橫推支架的真實應(yīng)變，并對有限元分析的結(jié)果進行校核，保證分析過程的準確性和有效性。

圖5 應(yīng)變片測點示意圖

圖6 應(yīng)變花方向示意圖

2.3 試驗工況

試驗工況重現(xiàn)故障路段，以空載/滿載在試驗場綜合路進行實車測試，綜合路分別為搓板路、魚鱗坑路、卵石路、砂石路和繞八字（左/右轉(zhuǎn)圈）。采樣頻率1000Hz，截止頻率150Hz。

2.4 試驗原理及數(shù)據(jù)處理方法

粘貼在橫向推力桿和支架上的各應(yīng)變片通過導(dǎo)線與應(yīng)變傳感器連接，組成測量電橋，在外載的作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)變反映為應(yīng)變片電阻的變化，應(yīng)變信號傳給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行記錄與存儲。

根據(jù)相關(guān)理論，單向電阻應(yīng)變片可根據(jù)公式（1），由所測應(yīng)變片的應(yīng)變計算出相應(yīng)的應(yīng)力。

式中：E為材料的彈性模量，ε為應(yīng)變片的應(yīng)變；σ為應(yīng)變片的應(yīng)力，MPa。

而對于直角應(yīng)變花則需根據(jù)公式（2）及（3）計算相應(yīng)的主應(yīng)力。

式中：σ1,2為主應(yīng)力，μ為材料的泊松比；ε1為直角應(yīng)變花中0°方向應(yīng)變片對應(yīng)的應(yīng)變值；ε2為直角應(yīng)變花中45°方向應(yīng)變片對應(yīng)的應(yīng)變值；ε3為直角應(yīng)變花中90°方向應(yīng)變片對應(yīng)的應(yīng)變值（圖7）。

圖7 三向應(yīng)變片

圖8 橫向推力桿力和支架應(yīng)力關(guān)系

根據(jù)公式（3）計算得到的主應(yīng)力和公式（4），即可求得vonMises應(yīng)力，即：

式中，σvon為vonMises應(yīng)力，σ1、σ2、σ3張量的主應(yīng)力。

文中，由于測量的是平面應(yīng)力，因此σ3=0，σ1、σ2為根據(jù)公式（3）計算的主應(yīng)力。根據(jù)試驗測得的應(yīng)變，并依據(jù)公式（3）、（4）計算得到橫向推力桿支架的vonMises應(yīng)力。由于橫向推力桿受軸向拉壓力，因此根據(jù)橫拉桿上單向應(yīng)變片的軸向測試應(yīng)變和公式（1）、（5）計算得到橫向推力桿的軸向力Faxial。

式中，F(xiàn)axial為橫向推力桿軸向力，A為推力桿截面積。

根據(jù)上述公式計算各個工況橫向推力桿應(yīng)力、軸向力和橫推支架應(yīng)力，具體數(shù)據(jù)如表1所示。對橫向推力桿軸向力和橫向推力桿支架應(yīng)力值進行分析，可以看出兩個數(shù)值具有很好的線性關(guān)系（圖8），根據(jù)這個關(guān)系推出軸向力為60000N時橫向推力桿支架的應(yīng)力為406MPa，可用于有限元分析，由此亦可證明橫向推力桿支架僅受軸向力的假設(shè)是合理的。

表1 應(yīng)力、軸向力計算結(jié)果

3、有限元分析

3.1 靜強度分析

根據(jù)三維模型和受力情況進行有限元建模，采用Hypermesh/Radioss進行處理，本模型可以簡化為車架兩端約束、單點加載的計算工況。車架網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格，尺寸為10mm，橫向推力桿支架采用四面體網(wǎng)格，尺寸為4mm，橫推支架與車架之間建立beam單元連接，模擬螺栓連接。

在建立好的有限元模型上施加約束定義，約束條件為建立車架兩端的多點約束單元（multi-point constraint，MPC），在車間兩端的節(jié)點上分別約束其在X、Y、Z三個方向的平動自由度，模擬車架固定。橫向推力桿與支架的連接點分別施加Y、-Y向軸向力，模擬橫向推力桿的橫向力，邊界條件和有限元模型分別如圖9和圖10所示。

圖9靜強度分析邊界條件

圖10 有限元分析模型

模型中，橫向穩(wěn)定桿支架材料為QT500，材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)

有限元分析中加載橫向力60000N，計算出point2點附近vonMises應(yīng)力為366.5MPa，與試驗測試結(jié)果比較，相對誤差9.73%，見圖11和圖12，圖中黑色橢圓形框內(nèi)為測試比較點。9.73%符合工程使用的誤差范圍，因此仿真結(jié)果與試驗值相吻合，有限元模型及邊界條件加載正確，可以用于后期方案改進提升的校核。

圖11 靜強度分析結(jié)果（vonMises應(yīng)力）

圖12 試驗point2點 應(yīng)變花位置

3.2 疲勞分析

采用Femfat軟件基于應(yīng)力疲勞分析方法和線性損傷累加理論進行疲勞壽命計算。將靜力計算結(jié)果導(dǎo)入到Femfat軟件中，加載正弦曲線（圖13），模擬橫向推力桿對支架的軸向拉壓力，評價橫推支架的壽命值。計算得到橫推支架壽命值為192次（圖14），不滿足設(shè)計指標(biāo)106次。

圖13 正弦曲線

圖14 橫推支架疲勞壽命計算結(jié)果

經(jīng)過靜強度和疲勞分析可以看出，橫向推力桿支架應(yīng)力超過材料屈服強度，疲勞壽命遠遠低于壽命設(shè)計指標(biāo)106次，從分析角度證明橫向推力桿支架存在風(fēng)險，需要對結(jié)構(gòu)進行改進。

疲勞分析結(jié)果與靜強度分析結(jié)果一致，危險點均位于加強筋根部，表明橫向推力桿支架加強筋根部首先產(chǎn)生裂紋源，與斷裂件理化檢測的結(jié)果吻合，進一步驗證仿真模型及邊界條件的準確性。

4、優(yōu)化方案

經(jīng)過仿真與試驗結(jié)果的對比，驗證了仿真模型的可靠性，結(jié)合分析結(jié)果進行下一步優(yōu)化方案的設(shè)定。考慮應(yīng)力集中發(fā)生在橫向推力桿支架加強筋的根部，所以增大根部連接的可靠性，避免截面突變，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，增加疲勞壽命。基于此，對原方案（圖15）進行改進，增強根部，連接硬點保持不變，優(yōu)化方案如圖16。

圖15 原方案

圖16 優(yōu)化方案

根據(jù)前述分析方法，得到優(yōu)化方案靜強度和疲勞分析結(jié)果，最大應(yīng)力由460 MPa下降到171MPa，而且有效緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象；疲勞壽命大幅提升，由192次提升到2.0×106次。優(yōu)化方案效果明顯，分析結(jié)果見圖17和圖18。

對優(yōu)化方案進行裝車試驗，截止目前已行駛5000公里，橫向穩(wěn)定桿支架未出現(xiàn)斷裂。

圖17 優(yōu)化方案靜強度計算結(jié)果

圖18 優(yōu)化方案疲勞壽命 計算結(jié)果

5、結(jié)束語

文中利用Hyperworks、Femfat軟件相結(jié)合的仿真平臺，對橫向推力桿支架斷裂問題進行了系統(tǒng)分析，并有效解決了問題。結(jié)論如下：

（1）對橫向推力桿和支架進行貼片，測得橫向穩(wěn)定桿的軸向力，作為橫向推力桿有限元分析的邊界條件。

（2）通過有限元計算結(jié)果與測試結(jié)果的比較可知，在對橫向推力桿支架進行有限元分析時，建立的有限元模型是正確的，分析過程中約束及加載與試驗工況相似，兩者之間的誤差能夠滿足工程要求。

（3）以靜強度分析結(jié)果為輸入，通過疲勞軟件進一步分析橫向推力桿支架的疲勞壽命，得到壽命最低點，疲勞分析結(jié)果與試驗失效位置一致，進一步驗證有限元分析的可靠性。

（4）對改進前后的支架疲勞壽命進行對比分析，改進方案顯著降低了支架上的應(yīng)力，提高了支架的疲勞壽命，經(jīng)實際裝車道路試驗，改進方案有效解決了橫向推力桿支架斷裂的問題。

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Simulation analysis and structural improvement of a truck lateral tie bar bracket

Zhao Weiyan, Li Wentao, Wu Xiaowei, Tian Pengchao
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The lateral tie bar bracket of a truck early fatigue fractured in the vehicle road test, then the static strength and fatigue simulation were accomplished on the simulation platform that comprised by HyperWorks and Femfat. The analysis results were compared with the experiment tests which proved the finite element analysis was accurate, and the reason of early fatigue fracture of the bracket was revealed. Then the simulation calculation of the improved bracket was carried out, which showed the optimization structure was better than the former one. As a result, the optimization structure was assembled on the truck and tested in the vehicle road test, the truck worked well, and the early fatigue fracture problem was solved.

lateral tie bar bracket; simulation analysis; experiment test

U467.4

A

1671-7988 (2017)08-181-04

趙衛(wèi)艷，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.061