貨車車架仿真分析與臺架試驗

□ 陳 韜 □ 張 凱 □ 喻 攀 □ 伍麗娜

中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司 武漢 430056

1 研究背景

車架作為車輛的核心部件,主要由縱梁、橫梁等部件焊接而成,必須具備較好的剛度和強度性能,才能在作業時承載車輛的主要載荷及路面產生的振動激勵。車輛在行駛過程中路況多變,車架需要承受彎曲載荷。在通過凹坑時,由于載荷質心偏離,車架發生扭轉變形,會承受較大的扭轉載荷。如果車架長期承受較大的扭轉載荷,可能導致車架結構產生失效,所以車架的抗扭能力至關重要,直接影響車架的疲勞耐久性能,同時對整車的性能起關鍵性作用。筆者采用仿真分析與臺架試驗相結合的方法,對某輕型貨車車架進行扭轉疲勞分析,評估車架疲勞性能,快速檢驗車架可靠性,為車架的設計與優化提供參考。

2 車架結構

貨車車架及上裝結構模型如圖1所示。筆者分析的貨車車架為邊梁式結構,主要由兩根位于兩側的縱梁和若干根橫梁組成,用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅固的剛性構架。貨車上裝為欄板式結構,主要用于運輸建筑材料和農副產品。

▲圖1 貨車車架及上裝結構模型

3 強度分析

對貨車車架及上裝結構建立有限元模型,薄壁板件采用四邊形單元進行模擬,單元基本尺寸為10 mm,一些不規則的鑄造件采用四面體模擬。分析過程中,考慮鋼板彈簧各方向剛度影響,鋼板彈簧片采用六面體實體單元離散。加載鋼梁、前懸吊耳支撐鋼梁分別采用梁單元、剛性單元模擬,并且設置兩者之間為鉸接關系。考慮貨物載重影響,采用質量點單元對貨物進行簡化模擬。為提高仿真精度,并與實際情況保持接近,在分析過程中對扭轉變形過渡區域設置接觸屬性,同時考慮上裝與車架大梁之間的接觸。

扭轉分析考慮車架自身重力和貨物載重,貨物載重質量為4 500 kg。約束后懸連接點所有自由度,釋放加載鋼梁中間位置繞軸向自由度,對加載鋼梁端部施加豎直方向強制位移。對車架進行加速扭轉試驗時,要求強制位移分別為160 mm、180 mm、200 mm、220 mm、240 mm,相當于使車架前軸與后軸形成角度依次為11.7°、13.2°、14.6°、15.9°、17.3°,筆者施加的扭轉角度比傳統扭轉角度大。車架扭轉分析有限元模型如圖2所示。車架及上裝材料選用車輛大梁用的LG510L熱軋鋼板,材料力學性能參數見表1。

▲圖2 車架扭轉分析有限元模型

表1 LG510L熱軋鋼板力學性能參數

在車架加載梁端部施加180 mm強制位移,等效應力云圖如圖3所示。由圖3可知,車架在扭轉工況下最大等效應力為493 MPa,出現在車架第五根橫梁與縱梁交接處,已經超過材料屈服強度。其它加載位移情況下,車架最大等效應力均出現在第五根橫梁附近位置。

▲圖3 強制位移180 mm時車架等效應力云圖

4 疲勞分析

車架在實際作業時承受交變應力作用,在周期性載荷作用下,車架會發生斷裂失效。基于車架強度分析結果開展疲勞壽命分析,疲勞壽命分析一般需要輸入三方面內容:① 材料疲勞性能參數,即應力壽命曲線;② 部件的應力應變分析結果;③ 載荷時間歷程。由于缺少相關試驗數據,因此只能通過材料廠商提供的LG510L熱軋鋼板基本性能參數估計在對稱循環下的疲勞極限,得到材料的應力壽命曲線。應力壽命曲線采用冪函數可表示為:

SmN=C

(1)

式中:S為疲勞強度;N為疲勞壽命;m、C為待定常數。

式(1)等號兩側取對數,得到常用的應力壽命曲線方程為:

lgS=A+BlgN

(2)

令A為lgC/m,B為-1/m,A、B為待定常數,可以通過試驗得到。根據材料廠商提供的試驗參數,材料試驗機獲得兩組試驗參數,疲勞壽命次數分別為104、106,對應的疲勞強度為516 MPa、375 MPa,基于以上數據可擬合得到材料應力壽命曲線,如圖4所示。

▲圖4 材料應力壽命曲線

根據實際載荷情況,應用Morrow平均應力修正方法和Miner線性累積損傷準則,通過疲勞分析軟件計算車架的疲勞壽命,車架疲勞壽命云圖如圖5所示。由圖5可知,位移載荷為180 mm時,第五根橫梁處的疲勞壽命次數為95 000。各加載位移對應的車架疲勞壽命預測情況見表2。

▲圖5 強制位移180 mm時車架疲勞壽命云圖

表2 車架疲勞壽命預測情況

5 臺架試驗

為進一步驗證車架的疲勞耐久性能,筆者搭建車架扭轉試驗臺,對車架進行實物扭轉疲勞試驗。

車架扭轉試驗臺如圖6所示。將車架安裝在試驗臺上,結合計算機仿真分析結果,在重點關注區域及高應力點位置粘貼應變片,根據測量的應變值計算車架表面的應力。試驗選擇五個樣品,分別對應不同的強制位移載荷。具體試驗方法為,通過加載工裝的伺服電機對前懸加載鋼梁施加位移載荷,加載方式為等幅正弦波,頻率為1.2 Hz,位移幅值分別為160 mm、180 mm、200 mm、220 mm、240 mm,每小時進行一次車架狀態檢查,直至車架出現斷裂,停止試驗。

▲圖6 車架扭轉試驗臺

針對五個樣品進行扭轉試驗,車架在不同循環次數下均發生斷裂,斷裂位置與計算機仿真分析結果顯示的高應力區域吻合,都在車架第五根橫梁右側鉚釘連接處附近位置。車架橫梁斷裂實物如圖7所示,各樣品試驗數據見表3。

表3 樣品試驗數據

▲圖7 車架橫梁斷裂實物

車架疲勞壽命仿真與試驗結果對比如圖8所示。由圖8可知,仿真結果與試驗結果比較接近,進一步驗證了仿真模型的有效性。車架疲勞壽命仿真結果相比試驗結果整體偏低,兩者誤差在20%左右,主要原因是仿真分析過程中對相關修正因數控制較為嚴格,以及應力壽命曲線與實際存在一定偏差。筆者采用材料疲勞特性應力壽命曲線作為輸入,而實際部件的應力壽命曲線是在材料應力壽命曲線基礎上進行一定修正得到的,主要考慮因素有零件表面粗糙度、尺寸因數、折合因數等。

▲圖8 車架疲勞壽命對比

6 結束語

筆者對某輕型貨車車架進行扭轉工況強度分析和疲勞分析,選取五個車架樣品進行臺架扭轉試驗。車架扭轉工況仿真分析和臺架試驗結果顯示,在施加不同位移載荷的條件下,車架第五根橫梁與縱梁連接處發生斷裂,仿真與試驗誤差在可接受范圍內。在后期車架研發過程中,可以結合仿真與試驗對車架結構進行優化設計,快速發現車架結構的薄弱點,進而進行改進優化,縮短研發周期。