丁曉霖, 龔俊杰* , 鄔世峰, 蔣彭正

(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 揚(yáng)州中集通華專用車有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225000)

隨著轎運(yùn)物流要求的不斷提高,中置軸轎運(yùn)車成為現(xiàn)代轎運(yùn)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì). 半掛車車架是運(yùn)輸車輛底盤的主體結(jié)構(gòu), 其設(shè)計(jì)重量、強(qiáng)度、剛度和疲勞特性關(guān)系到整個(gè)轎運(yùn)車架的質(zhì)量水平,幾何的不連續(xù)性導(dǎo)致車架構(gòu)件存在多軸應(yīng)力, 且應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的疲勞失效[1], 因此提高車架的疲勞強(qiáng)度極為重要．近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合有限元法及多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù),對(duì)不同結(jié)構(gòu)車架的耐久極限進(jìn)行研究．吳道俊等[2]利用計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering, CAE)技術(shù)分析車架疲勞薄弱部位, 采用拓?fù)鋬?yōu)化將車架危險(xiǎn)點(diǎn)的壽命提高了62倍; Monsalve-Giraldo等[3]利用參數(shù)差值評(píng)估了單個(gè)短期條件下多維積分所需的風(fēng)浪載荷疲勞損傷數(shù)值; 柴山等[4]通過(guò)對(duì)5種鋼板懸掛等效模型的分析, 發(fā)現(xiàn)有無(wú)副簧的鋼板懸掛可通過(guò)等效弧形薄板與副簧約束方程準(zhǔn)確模擬; Li等[5]數(shù)值分析了水斗式水輪機(jī)葉片應(yīng)力疲勞,給出了壽命周期、損傷、von Mises應(yīng)力和平均雙軸率結(jié)果,以評(píng)估葉片在腐蝕介質(zhì)下的設(shè)計(jì)、運(yùn)行性能．本文擬通過(guò)建立車架有限元模型,找出半掛車車架壽命的薄弱部位,為車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供可靠依據(jù)．

1 有限元分析

1.1 模型建立

圖1 車架有限元模型及約束條件Fig.1 Finite element model and constraints of the semi-trailer frame

1.2 損傷熱點(diǎn)

考慮到運(yùn)輸5臺(tái)1.8 t重的車輛(上層2臺(tái),下層3臺(tái))放置在車架縱梁與支撐立柱上部的覆蓋件上, 故在縱梁與支撐立柱處分別施加52.9和35.3 kN的均布載荷, 有限元計(jì)算結(jié)果如圖2～3所示．結(jié)果顯示,車架主體的等效應(yīng)力為15.16 MPa; 損傷熱點(diǎn)位于縱梁后拐點(diǎn)底部, 其等效應(yīng)力為166.7 MPa, 低于材料的屈服極限; 車架最大變形量為4.43 mm．

圖2 車架應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of the semi-trailer frame

圖3 車架變形云圖Fig.3 Deformation nephogram of the semi-trailer frame

2 靜應(yīng)力測(cè)試

3 疲勞分析

3.1 載荷頻率

載荷數(shù)據(jù)定義了車輛的使用環(huán)境,該型轎運(yùn)車輛經(jīng)常行駛于道路條件較好的路面,跑車試驗(yàn)時(shí)控制車速為60 km·h-1,測(cè)取試驗(yàn)場(chǎng)水泥路段1 min內(nèi)的應(yīng)變波形,經(jīng)計(jì)算,損傷熱點(diǎn)A6的主應(yīng)力譜如圖4所示．

表1 半掛車架靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試值與仿真值

應(yīng)力譜的變化頻率接近半掛車架固有頻率的85%～115%時(shí),會(huì)引起半掛車架共振,造成車架損傷疊加,縮短車架疲勞壽命[6]．圖5為A6測(cè)點(diǎn)應(yīng)力歷程的頻域特征圖．由圖5可知,應(yīng)力信號(hào)頻率集中在10 Hz內(nèi),共振頻率為1.5和4 Hz．表2為半掛車架模態(tài)分析結(jié)果．結(jié)果顯示,車架固有頻率遠(yuǎn)高于載荷作用頻率; 因此, 可忽略共振損傷的疊加效應(yīng)．

表2 半掛車架模態(tài)分析

圖4 A6測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力譜Fig.4 A6 point stress spectrum

圖5 A6測(cè)點(diǎn)載荷功率譜密度分析Fig.5 PSD analysis of A6 point

3.2 雨流統(tǒng)計(jì)

雨流統(tǒng)計(jì)廣泛應(yīng)用于工程分析,可生成符合材料的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回環(huán),進(jìn)而得出載荷的幅值與均值[7]．本文利用nCode Design Life疲勞分析軟件統(tǒng)計(jì)載荷譜的循環(huán)次數(shù),測(cè)取的應(yīng)力譜經(jīng)雨流統(tǒng)計(jì)后, 生成載荷均值、幅值及循環(huán)次數(shù)的三維數(shù)據(jù)．圖6為載荷譜雨流統(tǒng)計(jì)直方圖．從圖6可以看出,其應(yīng)力均值符合正態(tài)分布．

3.3 應(yīng)力疲勞準(zhǔn)則

該半掛車車架材料為拉伸強(qiáng)度為480 MPa的Q345鋼, 車架循環(huán)應(yīng)力水平較低,循環(huán)次數(shù)較多,故選取材料屬性一致的美標(biāo)材料, 采用S-N曲線測(cè)定法進(jìn)行應(yīng)力疲勞分析, 對(duì)應(yīng)的S-N曲線如圖7所示．從圖7可以看出, 其疲勞極限高于50 MPa．

圖6 載荷譜雨流直方圖Fig.6 Rainflow histogram of stress spectrum

圖7 Q345的S-N曲線Fig.7 The S-N curve of Q345

3.4 應(yīng)力集中修正

考慮到半掛車車架實(shí)際承受拉壓和彎曲載荷,實(shí)際測(cè)點(diǎn)與應(yīng)力集中位置不能完全重合,針對(duì)應(yīng)力集中影響的修正, 引入車架結(jié)構(gòu)的疲勞缺口系數(shù)[8]Kf=1+q(KT-1), 其中缺口敏性系數(shù)q=r/(r+P), 取值為0～1, 式中r為構(gòu)件根部缺口半徑, A6點(diǎn)取14 mm;P為特征長(zhǎng)度, 取決于構(gòu)件形式和材料, 本文取10 mm; 有效應(yīng)力集中系數(shù)[8]KT=1+q(ασ-1), 式中ασ為理論應(yīng)力集中系數(shù), 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè), 其值取2; 得測(cè)點(diǎn)A6的Kf值為1.34．

3.5 壽命預(yù)測(cè)

表3 壽命預(yù)估值

將半掛車車架模型導(dǎo)入nCode Design Life疲勞分析軟件,輸入疲勞缺口系數(shù),定義材料成活率為50%,利用FKM法修正平均應(yīng)力[9]．A1～A4測(cè)點(diǎn)循環(huán)應(yīng)力值低于材料疲勞極限值,故視為無(wú)限壽命．表3為A5、A6測(cè)點(diǎn)損傷與壽命預(yù)估值．由表3可知,A6測(cè)點(diǎn)換算循環(huán)壽命為5 008 h,低于A5測(cè)點(diǎn),與應(yīng)力計(jì)算結(jié)果一致,可用于代替半掛車車架的整體壽命,車架測(cè)試服役里程為3.005×105km,滿足國(guó)家對(duì)于低速轎運(yùn)車3.0×105km的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn),較大的疲勞損傷導(dǎo)致該位置在交變載荷作用下形成滑移帶[10],萌生裂紋,致使半掛車架發(fā)生疲勞破壞,故可在A6測(cè)點(diǎn)處設(shè)計(jì)優(yōu)化方案,以提高整車壽命．