車架彎扭組合臺架疲勞試驗仿真

張誠 劉道勇 王輝 丁培林 劉宗晟

摘要：為考慮商用車車架總成在用戶使用中受扭轉(zhuǎn)時的工況，臺架試驗引入了車架軸間扭轉(zhuǎn)角參數(shù)。利用車架軸間扭轉(zhuǎn)角度加載就可以利用室內(nèi)車架疲勞試驗臺架盡可能的模擬車架的實際工況。然而在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，臺架試驗與CAE分析模型簡化上的差異，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。本文為提高仿真的精度，建立了盡可能與試驗?zāi)Ｐ鸵恢碌姆抡婺Ｐ?。在建立臺架仿真的模型時，考慮前后懸連接方式對車架的影響，在需要特別關(guān)注的部位設(shè)置了接觸，同時考慮了結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料的塑性性能。利用Abaqus有限元軟件完成了車架仿臺架扭轉(zhuǎn)分析，得到了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，然后將應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入到疲勞軟件，計算出結(jié)構(gòu)的損傷和壽命。得到結(jié)果與臺架試驗結(jié)果吻合，一致性較高。

關(guān)鍵詞：車架;臺架試驗;仿真;疲勞

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0062-06

1 引言

在對某商用車底盤車架進行臺架試驗中，出現(xiàn)車架開裂。然而車架開裂位置與疲勞耐久分析結(jié)果存在較大差異，對比臺架試驗和簡化的CAE分析模型，發(fā)現(xiàn)CAE模型在模型簡化中存在較多的問題。對于前懸結(jié)構(gòu)，原始模型對夾具采用剛性單元建模，沒有考慮實際夾具的柔性;對于后懸結(jié)構(gòu)，原始模型只考慮了板簧，而忽略了后橋、V型推力桿和直推桿結(jié)構(gòu)的影響，這些結(jié)構(gòu)對車架的整體剛性有非常大的影響;對于加載壓板，原始模型忽略了壓板本身對結(jié)果的影響，未考慮建立壓板模型;對于橫梁連接板和縱梁的連接，原始模型只考慮了螺栓的連接，卻忽略了車架縱梁和橫梁連接板之間的接觸關(guān)系。

本文完全依照試驗條件，建立車架臺架扭轉(zhuǎn)試驗的有限元模型，考慮了彎、扭組合工況下結(jié)構(gòu)的幾何非線性，材料的塑性，以及關(guān)鍵部位的接觸，利用Abaqus解車架應(yīng)力分布，并將Abaqus的結(jié)果文件導(dǎo)入疲勞分析軟件，得到車架結(jié)構(gòu)的損傷和壽命，并與臺架試驗對標，得到了較為滿意的結(jié)果。

2分析模型

2.1前懸架總成模擬

在臺架試驗中，固定車架的鋼梁在加載中會產(chǎn)生柔性變形，因此需對鋼梁用梁單元模擬，截面尺寸模擬與實際情況一致。而對于加載鋼梁和支撐吊耳鋼梁之間的支架，由于其剛性較大，故簡化用剛性單元模擬。懸架連接點的自由度釋放與試驗狀態(tài)一致，旋轉(zhuǎn)副約束平動自由度，鉸鏈釋放單向轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)加載方式與試驗一致在鋼梁的一端施加強制位移。

2.2后懸架總成模擬

本文建立了包含后橋推力桿等結(jié)構(gòu)后懸總成的有限元模型。圖3為簡化后懸模型、仿臺架試驗后懸模型和實際后懸結(jié)構(gòu)的對比。

在仿臺架試驗的最終模型中，鋼板彈簧用SPRINGJ2單元模擬，剛度與實際一致;V型推力桿和直推桿用梁單元模擬，且保證梁單元的截面形狀與實際結(jié)構(gòu)的截面形狀一致。對于車橋，由于其不是重點關(guān)心的區(qū)域建立其有限元模型會占用非常多的計算資源，且其相對于車架結(jié)構(gòu)剛性很大，因此用梁單元來對車橋進行簡化模擬，設(shè)置梁單元的剛度很大，認為其是剛性的。在有限元模型中保證所有的硬點坐標與實際狀態(tài)一致，且所有連接點的自由度釋放與實際狀態(tài)一致。

2.3關(guān)鍵部位接觸模擬

在仿真計算中按照實際情況設(shè)置接觸可以提高結(jié)果的精度，但同時也會極大的增加計算成本。因此，本文只需對關(guān)鍵部位設(shè)置接觸，如圖4所示。

通過扭轉(zhuǎn)工況下的變形和應(yīng)力分布，可以確定第二橫梁附近為扭轉(zhuǎn)變形的過渡區(qū)域，因此需在此區(qū)域建立縱梁與橫梁連接板之間的接觸。同時壓板與車架之間只考慮螺栓連接與實際差異較大，因此也設(shè)置了接觸屬，如圖4所示。

2.4材料的塑性特性

在車架臺架強扭試驗中，結(jié)構(gòu)部分區(qū)域會出現(xiàn)塑性變形，因此，在進行有限元分析時，需考慮材料的塑性特性。本文有限元模型共涉及10種材料，其中縱梁、橫梁及一些關(guān)鍵的鑄件給定了材料的塑性。本文基本材料特性由供應(yīng)商提供。利用單向拉伸試驗測得的數(shù)據(jù)，往往都是名義應(yīng)變和名義應(yīng)力，在ABAQUS軟件中，需要用真實應(yīng)力和真實應(yīng)變來定義塑性。在ABAQUS的數(shù)據(jù)輸入中，需利用公式將名義應(yīng)力應(yīng)變通過公式轉(zhuǎn)換為真實應(yīng)力和真實應(yīng)變。本文考慮材料為雙線性彈塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，ABAQUS中的材料輸入見下表1。

2.5邊界條件

本文邊界條件按照臺架試驗的方式加載，如圖5，在扭轉(zhuǎn)鋼梁的端點施加沿Z向的強制位移，保證車架扭轉(zhuǎn)角度為+/-5.5。，車架壓板施加17.6KN垂向力在加載壓板上，壓板與車架通過四個螺栓相連。

3 計算結(jié)果和分析

3.1后懸模型對結(jié)果的影響

上一章中提到的影響因素在最初的有限元模型中均未考慮，計算結(jié)果與實際差距很大，應(yīng)力值極大，考慮了后懸結(jié)構(gòu)后，結(jié)果應(yīng)力的大小和分布都發(fā)生了變化。初始模型和考慮后懸總成的結(jié)果對比如圖6。

其中上側(cè)為初始模型，下側(cè)為考慮后懸總成模型。從對比結(jié)果可以看出，考慮后懸總成后的模型，最大應(yīng)力值明顯下降，從3251MPa下降至2377MPa，高應(yīng)力區(qū)的位置也發(fā)生了轉(zhuǎn)移，應(yīng)力位置與試驗狀態(tài)更為接近。

3.2前懸模型對結(jié)果的影響

在考慮后懸總成的基礎(chǔ)上，對前懸模型進行修正，考慮夾具的柔性后，車架縱梁的應(yīng)力值進一步下降，最大應(yīng)力降至1310 MPa，計算結(jié)果見圖7。高應(yīng)力區(qū)位置更接近疲勞試驗的開裂區(qū)域。

3.3材料非線性對結(jié)果的影響

根據(jù)前文的分析結(jié)果，縱梁最大應(yīng)力高達1310MPa，明顯超出材料的屈服強度，因此在計算中未得到較為精確的計算結(jié)果，必須考慮材料的塑性特性，對縱梁結(jié)構(gòu)考慮材料的非線性因素后，縱梁最大應(yīng)力降至551 MPa，見圖8。

只考慮縱梁的材料非線性會導(dǎo)致橫梁的應(yīng)力明顯增大，也會超過屈服強度，因此對于橫梁也需要考慮其材料的塑性性能?？紤]橫梁材料非線性后高應(yīng)力區(qū)結(jié)果見圖9。

設(shè)置橫梁材料的非線性特性后，縱梁最大應(yīng)力升高至653 MPa。由此可見，材料的非線性對結(jié)果有極大的影響，在最終的模型中.所有的縱梁橫梁，以及關(guān)鍵鑄件都考慮了材料的非線性。

3.4考慮接觸和連接自由度對結(jié)果的影響

在上述模型的基礎(chǔ)上，對高應(yīng)力區(qū)的縱梁和橫梁連接板之間以及壓板與縱梁之間都設(shè)置了接觸屬性。同時對旋轉(zhuǎn)副、鉸鏈等連接處的自由度進行了修正，得到了最終的計算結(jié)果。車架縱梁上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在第二橫梁連接的螺栓孔附近，最大應(yīng)力值691 MPa，縱梁的應(yīng)力結(jié)果云圖如圖10所示。

4 疲勞仿真結(jié)果對標

疲勞壽命的計算需要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果和材料的S-N曲線。結(jié)構(gòu)的循環(huán)工況的應(yīng)力可以通過上述的靜力學(xué)仿真得到，為降低疲勞分析的計算量，可以只輸出應(yīng)力高的關(guān)鍵部位結(jié)果，本文在疲勞計算中只輸入了縱梁在第二橫梁附近的一段車架應(yīng)力結(jié)果到疲勞軟件中計算?？v梁材料的S-N曲線通過升降法得到，縱梁材料的S-N試驗數(shù)據(jù)見下圖11。

通過試驗可得到縱梁材料50%存活率時S-N擬合曲線。在疲勞計算中創(chuàng)建疲勞工作循環(huán)，一個工作循環(huán)中包括+/-5.5。加載的兩個工況組合，計算一個循環(huán)內(nèi)的損傷值即可得到車架熱點應(yīng)力的壽命。為驗證本文模型的正確性，本文將各種建模方式下的熱點應(yīng)力壽命均進行了分析，各模型在縱梁彎扭組合工況下疲勞仿真的壽命結(jié)果見下表2。

表2中，各熱點應(yīng)力的位置見圖12。

表2中，模型的考慮因素為后續(xù)模型包含前模型的，即最終模型考慮了上述所有的因素。從表2中也可看出，不同模型的計算結(jié)果疲勞預(yù)測的壽命以及最低壽命的部位均有較大差異，各模型的壽命對比如圖13。

對于最終模型，疲勞軟件預(yù)測縱梁最低壽命位置，出現(xiàn)在車架縱梁與第二橫梁連接的螺栓孔附近，即圖12中2號區(qū)域，且壽命為109502次。該位置與臺架試驗裂紋出現(xiàn)的位置一致，見圖14，且該裂紋出現(xiàn)在臺架試驗扭轉(zhuǎn)9.78萬次時。最終模型的疲勞仿真的預(yù)測結(jié)果與臺架試驗結(jié)果基本一致。這也說明了在對車架臺架疲勞試驗進行仿真時，前文涉及到的考慮因素都是很有必要的，通過前文方式對模型進行修正可提高計算的精度

臺架試驗的結(jié)果也驗證了有限元模型的準確性。對于車架縱梁結(jié)構(gòu)，在折彎處最容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此，在車架縱梁的折彎處禁止打孔，而此次臺架試驗出現(xiàn)裂紋位置雖不在折彎處，但也是出現(xiàn)在離折彎處最近的孔位上，在折彎處建議加強，同時在此處螺栓安裝時也需要格外注意。

5結(jié)束語

本文為得到較高精度的疲勞仿真結(jié)果對模型的建立進行了大量的摸索和比較，對模型的反復(fù)修正使得計算結(jié)果與臺架試驗的結(jié)果更加吻合。為佐證本文仿真分析模型的準確性，本文也與其他一切研究者的結(jié)果進行了比對，其中鄧祖平在對輕卡車架有限元分析和臺架試驗結(jié)果對比中就提到，后橋結(jié)構(gòu)的簡化以及加載方式的差異導(dǎo)致應(yīng)力集中誤差較大。洪學(xué)臣在對車架臺架疲勞試驗驗證中，考慮了試驗夾具對仿真結(jié)果的影響，成功預(yù)測了車架試驗開裂部位，但其只進行了強度分析，計算了高應(yīng)力區(qū)還無法預(yù)測車架疲勞壽命。

本文利用Abaqus軟件對某商用車車架臺架扭轉(zhuǎn)疲勞試驗進行了仿真分析，各種模型處理方式的結(jié)果表明，在建立車架模型時，除建立車架結(jié)構(gòu)模型外，還需考慮前后懸結(jié)構(gòu)以及試驗夾具等對結(jié)果的影響，前懸夾具材料如果在加載中存在柔性變形，則在建模時需建立其柔性體模型;后懸結(jié)構(gòu)包括推力桿、后橋等當(dāng)剛度遠大于車架剛度時，可對結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，但連接處的位置和自由度釋放必須保證與實際情況一致。對于結(jié)構(gòu)中的一些關(guān)鍵部位，如果存在接觸關(guān)系需在仿真分析時考慮接觸來提高計算精度。

本文通過對多種建模方式的對比，總結(jié)得到了一套精度較高的車架臺架疲勞試驗仿真建模方式，并利用疲勞分析軟件估算了車架扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，仿真計算結(jié)果與臺架試驗的結(jié)果吻合度較高，為后續(xù)的臺架試驗的仿真計算提供了參考和借鑒。