基于比利時(shí)路的某牽引車車架疲勞分析

白素強(qiáng)　聶成剛　趙莉

摘要： 為分析某牽引車在比利時(shí)路上的車架疲勞，建立該牽引車整車多體動(dòng)力學(xué)模型。將試驗(yàn)測(cè)得的車輪六分力加載到模型中進(jìn)行仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的可信性。提取多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中的車架載荷歷程，基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)理論對(duì)車架進(jìn)行疲勞分析，預(yù)測(cè)車架疲勞壽命。仿真結(jié)果表明該分析方法可作為車架疲勞分析的有效手段。

關(guān)鍵詞：車架； 疲勞； 比利時(shí)路； 模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)； 車輪六分力； 整車試驗(yàn)； 有限元

中圖分類號(hào)： U463.321；TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：To analyze the fatigue of a tractor frame on Belgian road， the multi-body dynamics model of the tractor is built. The six component force of wheel measured by experiment is loaded into the model for simulation analysis， and the credibility of the model is verified by comparing with the test results. The frame load history in multi-body dynamic simulation results is extracted. The frame fatigue analysis is performed based on modal stress recovery theory and the frame fatigue life is predicted. The simulation results show that the analysis method can be used as an effective method for frame fatigue analysis.

Key words：frame； fatigue； Belgian road； modal stress recovery； six component force of wheel； automobile test； finite element

0 引 言

車架是車輛的主要承載結(jié)構(gòu)，支撐著駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱和蓄電池等部件，車架的疲勞特性直接影響整車的行駛安全性和使用耐久性[1]，因此及時(shí)預(yù)測(cè)車架疲勞壽命，防止車架疲勞破壞十分重要。

本文以某牽引車車架為主要研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)場(chǎng)比利時(shí)路相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括車輪上的六分力、輪心處加速度、懸架位移，以及前軸和后橋所在位置車架縱梁上的加速度等?；贏dams/Car建立該車整車多體動(dòng)力學(xué)模型，車架設(shè)為柔性體，將試驗(yàn)獲得的比利時(shí)路車輪六分力加載到多體動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行仿真分析，并將輪心處加速度、懸架位移，以及前軸和后橋所在位置車架縱梁上的加速度等的仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明兩者基本吻合，驗(yàn)證模型的可信性。提取多體模型中車架的載荷歷程，基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法分析車架及相關(guān)附件的疲勞壽命和危險(xiǎn)區(qū)域，為車架及相關(guān)附件的改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 比利時(shí)路實(shí)車試驗(yàn)

為保證車架載荷歷程的準(zhǔn)確性，對(duì)整車多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)在輪心施加載荷力激勵(lì)該模型。實(shí)車道路試驗(yàn)主要有2個(gè)目的：一是獲取車輪上的六分力用于激勵(lì)整車多體動(dòng)力學(xué)模型；二是獲取輪心處加速度、懸架位移，以及前軸和后橋所在位置車架縱梁上的加速度等，用于驗(yàn)證整車多體動(dòng)力學(xué)模型。

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象包括車輪六分力、懸架位移和加速度。分別測(cè)試前、后車輪4個(gè)輪心處的六分力（見(jiàn)圖1），前軸和后橋4個(gè)懸架位移，4個(gè)輪心處的三向加速度，前軸和后橋正上方車架縱梁上翼面4個(gè)垂向加速度（見(jiàn)圖2）。

試驗(yàn)測(cè)試選取襄陽(yáng)汽車試驗(yàn)場(chǎng)比利時(shí)路面，試驗(yàn)樣車（見(jiàn)圖3）為某4×2牽引車，帶半掛車，滿載46 000 kg，配載物為干燥沙子。

1.2 試驗(yàn)條件和設(shè)備

依據(jù)GB/T 12534—1990《汽車道路試驗(yàn)方法通則》和試驗(yàn)場(chǎng)及企業(yè)相關(guān)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，樣車的技術(shù)狀況達(dá)到整車技術(shù)條件的要求，試驗(yàn)場(chǎng)風(fēng)速小于5 m/s，路面干燥整潔，采樣頻率為512 Hz。試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)采集的比利時(shí)路試驗(yàn)數(shù)據(jù)總時(shí)長(zhǎng)約為167 s，4個(gè)車輪輪心垂向力見(jiàn)圖4。綜合考慮計(jì)算機(jī)資源、計(jì)算時(shí)間和后續(xù)疲勞分析等因素，

選取其中40 s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即圖4中41～81 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將選取數(shù)據(jù)的初始時(shí)間設(shè)為0，右后輪輪心垂向力見(jiàn)圖5。

2 整車動(dòng)力學(xué)仿真分析

載荷譜是進(jìn)行車架疲勞壽命分析必不可少的條件，其精度在很大程度上會(huì)影響疲勞分析結(jié)果的精度。將車架柔性化后導(dǎo)入Adams/Car中，通過(guò)整車多體動(dòng)力學(xué)仿真得到載荷譜，并基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法分析車架疲勞。[2]車架分析流程見(jiàn)圖6。

2.1 車架模態(tài)分析

2.1.1 建立有限元模型

基于HyperMesh建立車架有限元模型?？v梁、橫梁、加強(qiáng)梁和鈑金件采用殼單元，鑄件采用四面體單元，螺栓孔周邊進(jìn)行局部細(xì)化并保留2圈WASHER單元，使用BEAM單元模擬螺栓和鉚接連接。由于在后續(xù)整車多體動(dòng)力學(xué)建模中需要將車架柔性化，因此采用剛性單元RBE2建立車架與Adams/Car的接口點(diǎn)。車架有限元模型見(jiàn)圖7。

2.1.2 模態(tài)分析

車架模態(tài)是車架系統(tǒng)固有的振動(dòng)特性，模態(tài)分析是判別車架結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的有效手段。[3]對(duì)自由狀態(tài)下的車架進(jìn)行模態(tài)分析，生成模態(tài)中性文件

和模態(tài)結(jié)果文件，前6階模態(tài)分析結(jié)果（剛體模態(tài)除外）見(jiàn)表2。

2.2 建立整車模型

基于Adams/Car建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型。模型包括駕駛室及其懸置、動(dòng)力總成及其懸置、車架及其附件、前后懸架、前后板簧、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、穩(wěn)定桿、半掛車及其懸架等子系統(tǒng)，整車多體動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖8。其中，車架為柔性體，基于車架模態(tài)中性文件建立。綜合考慮柔性體規(guī)模、計(jì)算時(shí)間和重點(diǎn)關(guān)注頻率等因素，車架模態(tài)頻率設(shè)為70階。在前懸架中，前軸為柔性體，模態(tài)頻率設(shè)為26階。前、后板簧應(yīng)用Adams/Car中的板簧工具箱建立。由于采用試驗(yàn)測(cè)得的車輪六分力激勵(lì)整車多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，因此未建立輪胎模型。

2.3 模型加載

將試驗(yàn)測(cè)得的比利時(shí)路車輪輪心六分力加載到模型中，見(jiàn)圖9。由于試驗(yàn)誤差和重力加速度的影響，在加載六分力后，模型不能完全達(dá)到平衡狀態(tài)，因此為保證模型平衡，在軸端輪心力加載處建立X、Y、Z等3個(gè)方向（模型整車坐標(biāo)系）彈簧單元與大地連接。為減小彈簧單元的影響，在保證模型平衡的前提下，其剛度應(yīng)盡可能小，取10 N/m。

由于試驗(yàn)未測(cè)量半掛車車輪六分力，為模擬半掛車及其懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，在車架與半掛車連接處建立Z向（垂向）位移變量，在半掛車軸頭處加載Z向位移，位移大小與半掛車和車架連接處位移相同，通過(guò)改變位移變量實(shí)現(xiàn)兩者同步運(yùn)動(dòng)。半掛車及其懸架模擬見(jiàn)圖10。

2.4 分析結(jié)果

為驗(yàn)證整車多體動(dòng)力學(xué)模型，保證提取的車架載荷歷程準(zhǔn)確，將仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖11～14。

整車多體動(dòng)力學(xué)仿真值與試驗(yàn)值基本吻合，說(shuō)明整車多體動(dòng)力學(xué)模型及仿真結(jié)果可信，能為后續(xù)疲勞分析提供較準(zhǔn)確的車架載荷歷程。

3 車架疲勞分析

從整車多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中提取車架各階

模態(tài)位移結(jié)果作為車架載荷輸入。[4]根據(jù)模態(tài)結(jié)果文件和模態(tài)位移文件，基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)理論，利用車架材料的S-N曲線[5]，在nCode中進(jìn)行疲勞分析。

3.1 車架模態(tài)位移

提取整車多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中車架模態(tài)位移文件，此處共提取70階模態(tài)位移（不包括前6階剛性位移）結(jié)果，第1階模態(tài)位移見(jiàn)圖15。

3.2 車架材料參數(shù)

車架材料為510L，鑄件材料為QT500，根據(jù)企業(yè)內(nèi)部材料庫(kù)中的材料參數(shù)，其S-N曲線見(jiàn)圖16。

3.3 疲勞分析結(jié)果

車架整體、橫梁和前板簧后支架疲勞壽命云圖見(jiàn)圖17～19。

車架最小疲勞循環(huán)次數(shù)為4.000E+05次，位于前伸梁與縱梁連接處；橫梁最小疲勞循環(huán)次數(shù)為4.700E+05次，位于橫梁與縱梁連接螺栓孔處；前板簧后支架最小疲勞循環(huán)次數(shù)為1.946E+08次，位于支架與縱梁下翼面連接螺栓孔處。上述疲勞分析可預(yù)測(cè)該車架疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，為后續(xù)車架改進(jìn)提供一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

建立某牽引車整車多體動(dòng)力學(xué)模型，將試驗(yàn)測(cè)得的比利時(shí)路六分力加載到模型中進(jìn)行分析，提取車架載荷歷程，基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)理論分析車架疲勞壽命。對(duì)比分析結(jié)果可知，該分析方法能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)車架疲勞壽命，可作為車架疲勞分析的有效手段?；趯?shí)測(cè)比利時(shí)路提取的車架載荷以及車架疲勞壽命，可為相似車型的設(shè)計(jì)提供一定的參考，為車架在其他路面激勵(lì)下的疲勞分析提供參考。由于車輪六分力測(cè)量成本較大，可采用虛擬迭代的方式獲得輪心位移載荷替代六分力載荷。該多體動(dòng)力學(xué)建模方法和模型處理方式可為虛擬迭代提供重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫亞龍. 基于虛擬行駛試驗(yàn)的商用車車架疲勞壽命仿真研究[D]. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2015.

[2] 周馳. 實(shí)測(cè)道路激勵(lì)下TY-2重型自卸車車架疲勞壽命分析[D]. 太原： 太原理工大學(xué)， 2015.

[3] 張守元， 沈磊. 重型載貨汽車車架開(kāi)裂分析和減重優(yōu)化[J]. 汽車技術(shù)， 2015（11）： 7-10. DOI： 10.3969/j.issn.1000-3703.2015.11.002.

[4] 李明月， 李明山， 王金起， 等. 基于輪心六分力的載荷分解方法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2013， 22（S1）： 60-63.

[5] 孫天. 某重型商用車車架耐久性分析及輕量化設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2013. DOI： 10.7666/d.Y2362550.

[6] 梁廳， 吳澤勛， 孟凡亮， 等. 基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)的轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋焊點(diǎn)疲勞壽命分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2017， 26（1）： 32-38. DOI：10.13340/j.cae.2017.01.006.

[7] 寧士翔， 蘇小平， 王宏楠. 基于Adams/Car對(duì)車架動(dòng)載荷的仿真分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2014， 33（2）： 289-292.

[8] 張少輝， 劉俊， 劉亞軍. 基于六分力儀提取載荷譜的某乘用車副車架疲勞分析[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2017， 55（6）： 49-53. DOI： 10.3969/j.issn.1673-3142.2017.06.011.

[9] 吳華杰. 基于路面載荷的轎運(yùn)車車架振動(dòng)疲勞分析[D]. 揚(yáng)州： 揚(yáng)州大學(xué)， 2013. DOI： 10.7666/d.y2419504.

[10] 吳澤勛， 張林波， 孟凡亮， 等. 基于虛擬迭代的轎車車身耐久性虛擬試驗(yàn)方法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2014， 23（6）： 37-40. DOI： 10.13340/j.cae.2014.06.008.

（編輯 付宇靚）