寧厚于　楊獻(xiàn)學(xué)　張軍偉　李玉龍

摘 要：文章提出一種有限元仿真及經(jīng)典疲勞強(qiáng)度公式分析相結(jié)合的方法，對(duì)某牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。按照GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，建立某牽引座動(dòng)態(tài)試驗(yàn)有限元仿真模型，計(jì)算得到牽引座結(jié)構(gòu)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)在一個(gè)加載循環(huán)周期內(nèi)的應(yīng)力。按照經(jīng)典疲勞強(qiáng)度公式校核牽引座的疲勞安全，并對(duì)牽引座進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，牽引座疲勞安全滿足使用要求，驗(yàn)證了該分析方法的有效性。

關(guān)鍵詞：牽引座 動(dòng)態(tài)試驗(yàn) 疲勞強(qiáng)度 分析方法

1 引言

牽引座作為牽引車和半掛車之間的重要連接件和安全件，不但承受橫向、縱向、垂向各種載荷，還需要承受列車起步、加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等使用工況下的沖擊載荷，其結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)裂紋，甚至發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，牽引座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞可靠性將直接影響汽車列車的行駛安全性[1][2]。

某90#牽引座牽引座結(jié)構(gòu)如下圖1所示，為了驗(yàn)證其在結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，疲勞可靠性是否滿足GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)》要求，文章以其為研究分析對(duì)象，提出了一種有限元仿真及經(jīng)典疲勞強(qiáng)度公式分析相結(jié)合的方法，分析該牽引座在GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)疲勞安全。文章首先按照該標(biāo)準(zhǔn)中動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)要求，對(duì)牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)位置，進(jìn)而得到應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)處一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的應(yīng)力情況，根據(jù)經(jīng)典疲勞強(qiáng)度公式校核牽引座結(jié)構(gòu)的疲勞安全，并通過(guò)動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證了牽引座結(jié)構(gòu)的疲勞安全可靠性。

2 牽引座動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)要求

按照GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)》，牽引座動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)相關(guān)要求如下：

如圖2所示，對(duì)牽引座結(jié)構(gòu)同時(shí)施加垂向載荷Fvt和縱向載荷Fht，按正弦曲線加載，循環(huán)次數(shù)為2×106，加載頻率不超過(guò)35Hz，且不應(yīng)與系統(tǒng)固有頻率重疊，F(xiàn)vt和Fht頻率誤差為1%～3%[3][4]。

式中：T為用于牽引半掛車的牽引車的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，單位為噸（t），文章取值20t；

R為由牽引座牽引的半掛車的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，單位為噸（t），文章取值52t；

D為牽引座的縱向力，文章U取值20t，根據(jù)公式2可得到D值為120kN。

在完成規(guī)定的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)后，要求牽引座結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生永久變形、斷裂或開裂。

3 牽引座動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)有限元仿真分析

3.1 建立有限元仿真分析模型

文章采用Hyperworks軟件建立牽引座結(jié)構(gòu)有限元仿真分析模型，其中，為了提高仿真分析效率，在建模過(guò)程中忽略牽引座和牽引銷掛接分離過(guò)程中的微小控制構(gòu)件，結(jié)構(gòu)件焊縫處采用共節(jié)點(diǎn)模擬；為提高有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量，在模型簡(jiǎn)化過(guò)程中忽略微小孔洞和圓角等細(xì)小特征[5]。同時(shí)，為模擬動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)下的實(shí)際載荷加載情況，建立載荷加載工裝板，工裝板和牽引座面板之間建立面接觸單元，將載荷加載到工裝板上。整個(gè)牽引座結(jié)構(gòu)的有限元仿真模型如下圖3所示。

3.2 牽引座動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)分析工況

首先對(duì)該牽引座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)載荷仿真，確定牽引座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)位置。再針對(duì)該應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)，選取動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)8個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的載荷做動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)仿真分析，具體載荷見下表1所示。

3.3 動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)仿真結(jié)果

將上表1中載荷施加到有限元仿真模型中，可以得到牽引座結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)一個(gè)加載循環(huán)周期內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力情況，其中工況1#和工況4#時(shí)的應(yīng)力云圖見圖4和圖5所示，一個(gè)加載循環(huán)周期內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力匯總見表2。

4 牽引座結(jié)構(gòu)經(jīng)典疲勞強(qiáng)度分析

牽引座結(jié)構(gòu)所用材料為熱軋態(tài)16Mn低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)（徐灝主編）》，該種材料機(jī)械性能參數(shù)如下表3所示。

P-S-N曲線的通用表達(dá)式如下：

式中：Np—存活率為P時(shí)的疲勞壽命；

—應(yīng)力幅的均值，單位為MPa；

ap、bp—與存活率p有關(guān)的材料常數(shù)，見下表4所示。

根據(jù)公式（3）可以得出，

16Mn材料在99%存活率時(shí)，

107疲勞極限為σ-1（99%）=220MPa；

2x106循環(huán)時(shí)疲勞強(qiáng)度σ（2&6）（99%）=260MPa；

16Mn材料在50%存活率時(shí)，

107疲勞極限為σ-1（50%）=261MPa；

2x106循環(huán)時(shí)疲勞強(qiáng)度σ（2&6）（50%）=297MPa。

按16Mn 50%存活率S-N曲線，疲勞安全系數(shù)為1.5～1.8[6]，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，按單軸載荷考慮，文章疲勞安全系數(shù)取1.8。

牽引座在一個(gè)加載循環(huán)周期內(nèi)，應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)的最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin、應(yīng)力幅σa、平均應(yīng)力σm見表5所示，按單軸應(yīng)力簡(jiǎn)化考慮，其中：

對(duì)于牽引座結(jié)構(gòu)，計(jì)算疲勞安全系數(shù)：

式中：

由于采用有限元仿真計(jì)算應(yīng)力，已考慮材料的應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效應(yīng)力集中系數(shù)Κσ取1[7]；

尺寸系數(shù)ε，查表取0.85；

表面系數(shù)β，按鍛造取0.65；

不對(duì)稱循環(huán)系數(shù)φa按公式（7）計(jì)算：

計(jì)算得到，牽引座結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)n-1=2.5，大于疲勞安全系數(shù)1.8，疲勞安全系數(shù)滿足要求，牽引座結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)工況下不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

將牽引座固定在動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)臺(tái)架上，并按公式（1）和（2）得到的載荷加載，如圖6所示。經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次載荷循環(huán)后，牽引座結(jié)構(gòu)未發(fā)生永久變形、斷裂或開裂，狀態(tài)完好，牽引座結(jié)構(gòu)疲勞可靠性滿足特種車輛的使用要求。

6 結(jié)論

文章針對(duì)某90#牽引座結(jié)構(gòu)，利用有限元仿真分析及經(jīng)典疲勞強(qiáng)度公式分析相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度校核，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，牽引座疲勞強(qiáng)度和可靠性滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20069-2006《道路車輛 牽引座強(qiáng)度試驗(yàn)》相關(guān)要求，驗(yàn)證了該分析方法的有效性，為今后牽引座的實(shí)際設(shè)計(jì)和制造提供了一定的借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

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