潘金坤

（南京工程學院 機械工程學院，南京 211167）

大客車橫向穩(wěn)定桿的虛擬疲勞分析

潘金坤

（南京工程學院 機械工程學院，南京 211167）

0 引言

在多數(shù)轎車和客車上,為了防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜,在懸架中均設(shè)有橫向穩(wěn)定桿[1]。橫向穩(wěn)定桿由彈簧鋼制成,呈扁平的U形橫向地安裝在汽車的前端或后端。汽車轉(zhuǎn)向時車身側(cè)傾,橫向穩(wěn)定桿一端下移,另一端則上移,而中部對于車架并無相對運動,于是橫向穩(wěn)定桿便被扭轉(zhuǎn)。彈性的橫向穩(wěn)定桿所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力矩阻礙了懸架彈簧的變形,從而減小汽車的側(cè)傾,使其保持良好的姿態(tài)。

在實際工作狀態(tài)中,橫向穩(wěn)定桿常會受到大小不同的扭力作用,隨著受力次數(shù)的增加,某些部位會出現(xiàn)疲勞破壞[2]。因此,疲勞壽命是設(shè)計中必須要考慮的一個重要因素,有必要對橫向穩(wěn)定桿進行虛擬疲勞分析。

某新型雙層大客車,前、后懸架各安裝一套橫向穩(wěn)定桿。本文基于Abaqus有限元分析軟件進行線性靜力分析,結(jié)合nSoft疲勞分析軟件,對橫向穩(wěn)定桿進行虛擬疲勞分析。

1 虛擬疲勞分析的方法與過程

1.1 疲勞分析的方法

疲勞是在某點或某些點承受擾動應(yīng)力,且在足夠多的循環(huán)擾動之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程[3]。零件在循環(huán)加載下產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。按破壞時循環(huán)數(shù)的高低,疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞受應(yīng)力幅控制,又稱應(yīng)力疲勞。高周疲勞是各種機械中最常見的,簡稱疲勞。低周疲勞受應(yīng)變幅控制,又稱應(yīng)變疲勞。

根據(jù)疲勞破壞的形式,常用三種疲勞分析方法[4]:S-N名義應(yīng)力法、e-N局部應(yīng)變法、LEFM裂紋擴展壽命法。其中,S-N名義應(yīng)力法適用于高周疲勞。

1.2 虛擬疲勞分析的過程

虛擬疲勞分析是將有限元應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果,導入疲勞分析系統(tǒng);而后在疲勞分析系統(tǒng)中建立材料的疲勞曲線,選擇或輸入循環(huán)載荷譜;在選擇合適的疲勞損傷累積規(guī)則后,疲勞分析系統(tǒng)自動進行疲勞分析,計算出零件的疲勞壽命分布,以幫助設(shè)計人員判斷設(shè)計壽命是否達到,或進行壽命優(yōu)化設(shè)計。圖1為虛擬疲勞分析流程圖。

nSoft是nCode公司開發(fā)的一套完整的疲勞分析系統(tǒng)。專門為解決工程系統(tǒng)的疲勞問題而設(shè)計,主要由數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、疲勞分析等模塊組成。可用于解決數(shù)據(jù)采集、疲勞設(shè)計分析以及實驗室疲勞模擬等問題。

圖1 虛擬疲勞分析流程圖

2 橫向穩(wěn)定桿有限元分析

2.1 幾何參數(shù)及幾何模型的確立

橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,參數(shù)見表1,D為橫向穩(wěn)定桿直徑。

圖2 橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)示意圖

表1 橫向穩(wěn)定桿的結(jié)構(gòu)參數(shù) /mm

利用UG軟件建立橫向穩(wěn)定桿的三維實體模型,然后通過IGES格式導入到Abaqus有限元分析軟件,將實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。

2.2 材料參數(shù)

橫向穩(wěn)定桿的材料為60Si2Mn,材料的彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比μ=0.29。

2.3 單元類型的選擇與網(wǎng)格劃分

四面體實體單元C3D10M具有二次位移特性,可以模擬不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu),橫向穩(wěn)定桿軸線有較多的轉(zhuǎn)彎點,劃分單元后有很多不規(guī)則的形狀產(chǎn)生,選用該單元類型分析較有利[5]。采用自由網(wǎng)格劃分,前橫向穩(wěn)定桿有278657個節(jié)點,188694個單元;后橫向穩(wěn)定桿有223886個節(jié)點,150321個單元。橫向穩(wěn)定桿有限元模型如圖3所示。

圖3 橫向穩(wěn)定桿有限元模型

2.4 載荷與約束處理

橫向穩(wěn)定桿的簡化受力如圖4所示。B、C兩點是橫向穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿吊臂接觸的區(qū)域,簡化為兩支撐點;A、D兩點分別受大小相同、方向相反的垂直力作用。把B、C兩點作自由度約束處理,定義X、Y、Z 三個方向的位移約束;A、D兩點的受力轉(zhuǎn)化為位移載荷處理[2]。施加的位移載荷是客車滿載時橫向穩(wěn)定桿的偏移量。

圖4 橫向穩(wěn)定桿簡化受力圖

2.5 靜力分析

在橫向穩(wěn)定桿兩端分別施加大小為10mm,方向相反的位移載荷進行靜力分析。最大主應(yīng)力(Max Principal)前橫向穩(wěn)定桿為623.7MPa,位于節(jié)點140370處,后橫向穩(wěn)定桿為641MPa,位于節(jié)點214338處。圖5為橫向穩(wěn)定桿的最大主應(yīng)力云圖。絕對值最大的主應(yīng)力(Abs Max Principal)常用于疲勞壽命分析[6]。本例中,前、后橫向穩(wěn)定桿絕對值最大的主應(yīng)力分別和各自的最大主應(yīng)力相等。

圖5 橫向穩(wěn)定桿主應(yīng)力云圖

3 橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析

由有限元靜力分析可知,前橫向穩(wěn)定桿最大Mises應(yīng)力為869MPa, 后橫向穩(wěn)定桿最大Mises應(yīng)力為805MPa。上述應(yīng)力均小于材料60Si2Mn的屈服極限[7]:1255MPa。因此,前、后橫向穩(wěn)定桿在工作過程中,材料均處于彈性變形區(qū)范圍,適合用S-N名義應(yīng)力法進行疲勞分析。

本例中,前、后橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命要求在振幅為±10mm、頻率1～3Hz的條件下至少達到20萬次。

3.1 材料的P-S-N曲線

材料60Si2Mn的P-S-N曲線表達式為[7]:lg NP=aP+bPl g σ,式中:NP-存活率為P時的疲勞壽命,σ-應(yīng)力幅的平均值(MPa),aP、 bP-與存活率有關(guān)的材料參數(shù)。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 60Si2Mn疲勞壽命數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),本文采用偏安全的存活率50%的aP和bP值,在nSoft中創(chuàng)建了對應(yīng)的S-N曲線,如圖5所示。

圖5 60Si2Mn的P-S-N曲線圖

3.2 創(chuàng)建循環(huán)載荷譜

本例中定義一個恒幅交變載荷,載荷的極大值為1,極小值為-1[3]。這里定義的載荷是個相對量,是相對于有限元靜力分析中施加載荷的倍數(shù)。1表示疲勞載荷的大小等于有限元靜力分析中施加的載荷,-1表示疲勞載荷的大小等于有限元靜力分析中施加的載荷但方向相反,如圖6所示。

圖6 恒幅交變載荷的定義

3.3 虛擬疲勞分析結(jié)果分析

圖7為nSoft軟件構(gòu)建的橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析流程圖。選用Miner線性損傷累積規(guī)則進行虛擬疲勞分析。前橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命最短的為140370節(jié)點,應(yīng)力循環(huán)數(shù)為 ;后橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命最短的為214338節(jié)點,應(yīng)力循環(huán)數(shù)為 。疲勞壽命云圖和熱點(HOTSPOT)探測圖見圖8、圖9。

圖7 橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析流程圖

圖8 前橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命分析

圖9 后橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命分析

事實上,疲勞壽命最短的節(jié)點也正是絕對值最大的主應(yīng)力所在的節(jié)點。上述應(yīng)力循環(huán)數(shù)滿足前、后橫向穩(wěn)定桿20萬次的使用壽命要求。

4 結(jié)論

1)大客車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計滿足疲勞壽命要求。

2)虛擬疲勞壽命分析設(shè)計,對提高機械產(chǎn)品開發(fā)水平,縮短開發(fā)周期,具有至關(guān)重要的作用。

3)本文所述的虛擬疲勞分析具有一般性,對汽車零部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有指導意義。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造:下冊.第3版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[2]黃康,仰榮德.基于ANSYS的汽車橫向穩(wěn)定桿疲勞分析[J].機械設(shè)計.2008(12).

[3]王國軍, 胡仁喜, 陳欣, 等. nSoft疲勞分析理論與應(yīng)用實例指導教程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.

A virtual fatigue analysis of transverse stabilizer bar on the Coach-Bus

PAN Jin-kun

根據(jù)大客車橫向穩(wěn)定桿的幾何參數(shù)、載荷及約束情況，建立了橫向穩(wěn)定桿的有限元分析模型。基于疲勞壽命預測的相關(guān)理論，結(jié)合Abaqus有限元分析軟件和nSoft疲勞分析軟件進行虛擬疲勞分析，在較短的時間內(nèi)獲得了橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命分布、壽命薄弱位置等信息。結(jié)果表明，虛擬疲勞分析能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少試驗的工作量，降低開發(fā)成本。

橫向穩(wěn)定桿；有限元分析；虛擬疲勞分析

潘金坤(1963－),男,講師,主要從事現(xiàn)代設(shè)計方法的理論及其應(yīng)用、虛擬樣機技術(shù)等領(lǐng)域的研究。

U463.33

A

1009-0134(2011)1(上)-0145-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).43

2010-11-04

江蘇省高校自然科學基礎(chǔ)研究項目資助(08KJB580003)。