基于虚拟路面的牵引车车架疲劳分析与优化

邵林，杨志刚，张伟峰，李凯敏

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

基于虚拟路面的牵引车车架疲劳分析与优化

邵林，杨志刚，张伟峰，李凯敏

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

本文建立了某牵引车多体动力学模型，并基于3维虚拟路面，提取了车架接口点的受力时域曲线。结合疲劳理论，对此车架进行了疲劳寿命分析。分析结果表明，此分析方法能有效反映车辆实际使用中所出现的疲劳问题。在此结果的基础上，进一步对此车架进行优化分析，取得了较好效果。

车架；疲劳；虚拟路面；优化

CLC NO.:U471.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2015)07-31-03

引言

汽车运输由于其“门对门”的优势，成为了货运运输的主要方式之一，为了保证运输的不间断，汽车疲劳寿命成为了各大汽车厂商的关注焦点。汽车疲劳寿命分析的传统方式是进行可靠性试验，此方式即费时又费力[1]。随着疲劳理论和计算机技术的发展，使用CAE方法结合试验对汽车疲劳进行分析与优化，成为了主要方式[2]。

因此本文使用CAE方法对某牵引车车架进行了分析与优化，并且与此车型的实际使用情况进行对比，得到此车型车架的疲劳薄弱部位，对薄弱部位进行加强，之后再次进行分析，得到优化后的车架结构，并且满足使用要求。

1、多体动力学模型

根据前期测试得到的整车参数，包括整车轴荷参数、硬点坐标、车轮定位参数、弹性阻尼元件特性和零部件质量等，使用Adams/Car建立多体动力学模型，其中包含:车架、前悬架系统、平衡悬架系统、动力总成系统、传动系、驾驶室及悬置、挂车等，车架和前轴使用柔性体建模；调整各子系统的质量和质心，使得各系统质量和质心与测试结果保持一致，进而使得整车质量、质心、簧上质量和轴荷与测试结果保持一致。各橡胶衬套使用bushing单元模拟，刚度值和阻尼值使用测试得到的数值。同时在各接口点处创建相应的request，以输出车架各接口点处点受力曲线。

2、运行工况

经过调研，此车型在实际使用过程中，运行的路面包括土石路、普通公路和国道高速，三者比例分别为:5%、35%和60%，分别按照国标GB 7031-86中等级路面C级、B级和A级路面进行模拟。因此按照国标规定，制作得到的部分等级路面如图所示。

3、载荷提取

为了计算车架的疲劳，需要提取车架各接口点受力时域曲线，即载荷谱[3]。此车型常用车速为60km/h，因此，以60km/h的车速分别在等级路面为A、B和C的路面上运行30秒，得到行驶里程500米的载荷信号，之后提取车架各接口点的受力，下图为板簧前卷耳Z向受力曲线示意。

4、疲劳分析与优化

4.1 疲劳分析

影响疲劳分析结果的因素有材料疲劳特性、零部件应力分布和载荷谱，其中S-N曲线是衡量材料疲劳性能的一个重要参数，获取一条完整的S-N曲线需要花费大量的时间和成本[4]，因此本文使用FEMFAT软件中的S-N曲线生成器计算得到相应材料的S-N曲线，如图4所示为纵梁材料590L的S-N曲线。

为了得到零部件应力分布情况，需要进行单位力加载分析，因此对此车架进行有限元网格划分[5]，并做相应连接，之后采用Radioss线性模块进行分析。在每个接口点上分别施加6个方向的单位载荷（3方向力及3方向扭矩），使用“惯性释放”方法进行约束，得到每个单位力作用下，车架的应力分布结果。

基于车架单位力工况下的应力分析结果，结合时域载荷曲线，使用FEMFAT软件的ChannelMax模块进行疲劳分析，得到车架疲劳分析结果，如图5至7所示，分别为A、B和C级路面下，车架的疲劳分布情况。

结果显示三个等级路下，薄弱位置均发生在驾驶室后悬支架与车架连接处。在A级路面下，如图5所示，车架的最小疲劳次数为400万次，对应的行驶里程为200万公里，按照调研结果，A级路面下，最小行驶里程为60万公里，因此，此车架满足A级路面的使用要求；

在B级路面下，车架的薄弱部位发生在驾驶室后悬支架与车架连接处和管梁两端连接处，如图6所示，最小疲劳次数为25640次，对应的行驶里程为12820公里，按照调研结果，B级路面下，最小行驶里程为35万公里，因此，此车架不满足B级路面的使用要求；

在C级路面下，车架的薄弱部位发生在驾驶室后悬支架与车架连接处和管梁两端连接处，如图7所示，车架的最小疲劳次数为1474次，对应的行驶里程为737公里，C级路面的最小里程为5万公里，因此此车架不满足C级路面的使用要求。

搜集此车的实际使用情况后发现，多个车辆在此支架及其与车架连接处出现裂纹，本文分析结果与实际使用情况基本一致。因此，本文所进行的分析方法及结果，可以有效反应此车架的实际使用情况。

4.2 优化分析

分析显示，车架薄弱部位在驾驶室后悬支架处和管梁两端，因此经过分析，如图8所示，对驾驶室后悬支架处（图中i处）添加加强筋，同时在此处的纵梁加衬板（图中ii处），以加强此处纵梁。对优化后的结构进行分析，分析结果显示其已经满足A、B和C级路面使用里程要求，如图9～11所示。

统计结果如表1所示。

表1 结果统计

5、结论

本文结合多体动力学分析方法和疲劳分析理论，提出了计算牵引车车架疲劳寿命的思路和方法。

对某牵引车车架进行了疲劳寿命分析，分析结果与实际情况一致，最终根据分析结果对车架进行加强，有效地解决了此车架出现的疲劳问题，取得了较好的效果。

[1] 李光攀,过学迅等.汽车耐久可靠性试验方法[J] 天津汽车 2008年第10期 34～37.

[2] 宋名洋.基于CAE方法车身疲劳耐久性研究[J].机电技术 2012年第2期 104～106.

[3] 谭纯岩.汽车载荷谱的分析与应用[J].汽车实用技术 2013 NO.10 39～44.

[4] 姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].国防工业出版社，2003.

[5] 王皎.重型特种车车架强度分析及其轻量化问题研究[D].硕士学位论文 武汉理工大学 2009.

The Fatigue Simulation and Optimization of Tractor Frame Based on Virtual Road

Shao Lin, Yang Zhigang, Zhang Weifeng, Li Kaimin
( Automotive Engineering R&D Center, Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200 )

In order to calculate the time-domain loads on the frame interfaces, a multi-body dynamical model of a tractor was created,and based on 3D virtual road. The fatigue simulation of the frame was performed with the fatigue theory.The results showed that using this method could indicate the fatigue problem of frames of real condition.According to the results,the further optimization had been performed and an improved case was delivered.

frame; fatigue; virtual road; optimization

U471.1

A

1671-7988(2015)07-31-03

邵林，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。