張雪雁，李亞叢，蔡玉強

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

牽引座是牽引車和半掛車之間的關(guān)鍵聯(lián)接件和安全件，有傳遞牽引車和掛車縱向牽引力和制動力的重要作用[1]。近年來，國內(nèi)學者對牽引座進行了大量研究，卻忽略了實際工況下動態(tài)隨機載荷對牽引座結(jié)構(gòu)強度和設(shè)計優(yōu)化穩(wěn)定性的影響。因此，研究分析牽引座動態(tài)響應(yīng)特性和不同路面激勵作用下的疲勞強度，對牽引座的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的指導意義。

本文通過ADAMS和MATLAB共同仿真分析牽引座在C級路面激勵條件下承受載荷隨時間的變化情況，獲得半掛車在工作狀態(tài)下牽引座的von Mises應(yīng)力和等效應(yīng)變圖。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)運輸實際工況，采用ANSYS nCode Designlife有限元軟件估算牽引座的極限疲勞壽命，確定易疲勞的關(guān)鍵部位，為牽引座的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 牽引座有限元分析模型

QD9020牽引座結(jié)構(gòu)復雜，包含多個微小零部件，且部分零部件在實際運輸中不起承載作用。為了降低建模難度、提高計算效率，適當簡化模型，得到的牽引座三維模型如圖1所示，對其進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。牽引座的主體承載構(gòu)件鞍體包括：前、后框架板，M型框架板，框架內(nèi)貼耳，框架外貼耳，U型板和滑道蓋板。

2 牽引座路面激勵強度分析

2.1 時域路面激勵模型

不同級路面的功率譜密度都是獨特的，其表達式為[2-3]：

(1)

其中：n為空間頻率；Gq(n0)為路面譜密度不平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，取w=2；n0為參考空間頻率，一般取n0=0.1 m-1。

圖1牽引座的三維模型圖2牽引座的網(wǎng)格模型

我國A、B、C、D級道路的譜密度不平度系數(shù)見表1。

表1 路面不平度分類標準及譜密度不平度系數(shù)

半掛車考慮車速的功率譜密度函數(shù)為[4]：

(2)

其中：f為時間頻率；v為半掛車行駛速度。

采用Fourier逆變換法進行路面激勵信號的時域模擬：

(3)

其中：Gq(fmi-i)為第i個區(qū)間功率譜密度值；fmi-i為第i個區(qū)間的中心頻率。

對式(3)進行Fourier變換，則時域路面隨機位移為：

(4)

其中：r(t)為時域路面隨機位移；θk為均勻分布在區(qū)間[0,2π]內(nèi)的獨立隨機相位。

2.2 路面不平度的模擬

通過對牽引座結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析(以C級路面為例)，獲得結(jié)構(gòu)的前7階固有頻率值，如表2所示。

根據(jù)實際運行工況，車速v=40 km/h，采樣次數(shù)1 000次/s。頻率區(qū)間取為(100 600)，涵蓋表2中前7階固有頻率范圍。采用MATLAB編程求解出車輛在A、B、C、D級路上行駛時的時域激勵信號，見圖3。

表2 牽引座結(jié)構(gòu)的前7階固有頻率

圖3 A、B、C、D級路面時域激勵信號

2.3 牽引座鞍體激勵強度[5-6]

在ADAMS軟件中建立虛擬仿真模型，導入C級路面時域激勵信號的數(shù)據(jù)，生成樣條曲線，在車輪上施加30 s該時域路面激勵信號并捕捉其動態(tài)響應(yīng)，采集描述牽引座上表面的載荷譜曲線，如圖4所示。

將圖4的時域載荷譜數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式施加到牽引座上，計算牽引座的瞬態(tài)響應(yīng)，從而獲得0.5 s、5 s、30 s時的牽引座受壓工況的von Mises等效應(yīng)力和位移變形云圖，如圖5、圖6所示。

圖4 牽引座上表面載荷譜曲線

圖5 牽引座在不同時刻的等效應(yīng)力云圖

圖6 牽引座在不同時刻的位移變形云圖

由圖5可以看出：最大應(yīng)力出現(xiàn)在鞍體兩個定位連接孔處，3個時間節(jié)點的最大等效應(yīng)力分別是236 MPa、90.3 MPa、145 MPa。連接孔危險點應(yīng)力時間歷程如圖7所示，危險節(jié)點應(yīng)力在90 MPa～236 MPa之間變化，遠小于材料的許用應(yīng)力。

由圖6可以看出：鞍體圓弧部分變形最嚴重，3個時間點變形量分別為0.737 mm、0.282 mm、0.455 mm。危險節(jié)點的位移時間歷程如圖8所示, 危險節(jié)點變形量范圍為0.25 mm～0.75 mm，材料的變形率為0.107%，小于許用值2%。

綜上，鞍體結(jié)構(gòu)的激勵強度有很大裕量，剛度條件也滿足設(shè)計要求，可以通過減小某些承載部件的設(shè)計變量(寬度和厚度)達到等強度設(shè)計的要求，同時減小材料體積，起到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、整體輕量化的效果。

3 牽引座疲勞強度分析

牽引座在動載荷的作用下主要發(fā)生高周疲勞破壞，以Miner法則為理論基礎(chǔ)，采用名義應(yīng)力法(參照工件危險點處應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，統(tǒng)計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)并依據(jù)Q345材料的S-N曲線(如圖9所示)計算工件疲勞壽命的傳統(tǒng)方法)估算牽引座疲勞壽命[7]。

在疲勞壽命求解參數(shù)時通過設(shè)定ANSYS Fatigue計算模塊中的古德曼直線方法對其進行了修正。計算獲得牽引座疲勞極限：

σa=σ-1[1-(σm/σb)].

(5)

其中：σa為材料的疲勞極限；σ-1為極限應(yīng)力幅；σb為材料的強度極限；σm為平均應(yīng)力。

在定位孔處添加自由度約束，使得牽引座只有X軸向上的平動自由度。結(jié)合載荷譜，在鞍體上表面施加范圍為78 kN～234 kN垂直正弦波載荷譜，在牽引座框架上施加-90 kN～90 kN的水平方向載荷，如圖10所示。

圖7危險節(jié)點應(yīng)力時間歷程圖8危險節(jié)點位移時間歷程圖9 Q345的S—N曲線

利用ANSYS nCode DesignLife軟件對牽引座結(jié)構(gòu)進行疲勞計算分析[8-9]，求解獲得該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命云圖，如圖11所示。從圖11可知，在前框架板與座蓋板焊接處牽引座疲勞壽命最短，為1.958×107次；將載荷譜的幅值增大到2.5倍模擬激勵的變化，循環(huán)載荷增大倍數(shù)后，牽引座的前框架板與座蓋板焊接處最先發(fā)生疲勞破壞，最低壽命9.819×103次；在牽引座上施加5倍載荷譜，靜強度就已經(jīng)失效，循環(huán)載荷增大，危險部位增多，前框架板與座蓋板、尾部框架板焊接處均發(fā)生疲勞破壞，在貓耳和U型框架板處疲勞壽命降低。所以不平度很大的路面一定不可以滿載或過載，否則，很容易發(fā)生疲勞破壞。

圖10 施加的正弦波載荷譜

圖11 牽引座的疲勞壽命云圖

4 結(jié)論

(1) 基于CAE技術(shù)，通過多種軟件聯(lián)合仿真，對C級路面激勵的載荷譜進行了模擬，求解計算出牽引座動態(tài)載荷下的激勵強度和剛度。相較于靜力學分析，動態(tài)分析更加符合牽引座在運輸工作中的實際情況，為后續(xù)的優(yōu)化工作提供了理論基礎(chǔ)。

(2) 采用名義應(yīng)力法對QD9020半掛車牽引座進行了疲勞強度的估算，預測其疲勞破壞發(fā)生的部位為前框架板與座蓋板焊接處；進一步分析激勵增幅，發(fā)現(xiàn)尾部框架板焊接處以及貓耳和U型框架板處也會疲勞，甚至直接靜強度失效。

(3) 分析結(jié)論與實際破壞情況相符，證明分析計算的方法合理，從而為牽引座結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的數(shù)值依據(jù)，節(jié)省了新車的開發(fā)成本。

參考文獻：

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