针对某车架的强度分析及应力应变测试

张华党

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心试验部)



针对某车架的强度分析及应力应变测试

张华党

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心试验部)

摘要：本文针对某车架道路可靠性试验出现的开裂问题，分别进行了车架修改前后的强度分析和应力－应变检测试验。结果显示，强度分析和检测试验的应力数值有些偏差，但应力分布趋势基本一致。同时，结构修改后的强度好于原结构，由此证明了仿真分析加物理测试是有效的产品开发及优化手段。

关键词：应力应变测试；开裂；有限元分析；车架

一、前言

有限元方法是工程中解决复杂问题的一种有效的近似数值分析方法，随着计算机技术的发展，有限元方法被越来越多地应用于工程实践中，尤其是汽车和航空航天领域。同时，在产品开发及优化过程中，产品的物理试验仍发挥着重要作用，并永远不可能被CAE分析彻底取代。

本文结合以上两种技术，针对某车架在道路可靠性试验发生的开裂故障，对车架局部开裂处分别进行了修改前后的强度对比分析和检测试验，有效地改善了车架开裂处强度，提供了仿真分析及物理测试手段在车架领域的成功应用范例。

二、车架开裂位置及结构

（一）车架开裂位置

某型号载货试验车辆在试验场进行8000km可靠性试验，当车辆在强化路面行驶至3895km时，发现该载货试验车前减振器支架与车架固定螺栓孔处开裂，车架开裂处为车辆前减振器支架与车架固定螺栓孔处，具体开裂部位如图1所示。建议将其由原来的单层钢板改为局部增加加固板。试验车辆整车总质量为4.5吨，强化路面路况较差，强化系数为15（强化路与一般公路的折合比例为1：15）

图1　减振器支架处纵梁开裂位置（试验车照片）

（二）车架开裂处结构

减振器支架是一个铸件结构，其与纵梁连接部分尺寸为90mm×90mm，此处纵梁为5mm的单层钢板。减振器支架与纵梁是通过4个M10的螺栓联结的，联结孔距分别为腹面60mm、车架上翼面60mm。减振器支架与车架联结处具体结构见图2。

图3　减振器支架与车架联结处具体结构

（三）车架材料属性

该车架材料为高强度钢QSTE500，其材料属性见表1。

表1　材料属性

三、强度分析

（一）计算模型建立

采用UG三维软件建立车架总成实体模型，并将各个零部件保存为IGES格式。由于车架结构对称，为了减少网格划分的工作量，仅保留几何模型的一半，采用Hyper Works中的Batch Mesher对IGES文件进行中性面抽取和网格划分，对导入的车架模型进行几何质量分析与修整。车架纵梁和横梁是通过铆接联结的，建模时采用刚性梁单元连接。采用反映主从关系的刚性单元Rbe2模拟零件间的焊接与螺栓连接。最后采用Hyper Works中Tool下的Reflect构成整个车架有限元模型，如图4所示。

图4　车架有限元模型

（二）参数模拟

车架总成主要载荷包括：发动机悬置处的载荷，减振器支架处的载荷以及前后板簧刚度模拟。计算过程中，通过刚性单元将载荷加到相应单元节点上，主要载荷如下：

（1）动力总成：由动力总成分配至发动机前后悬置处的载荷为2700N；

（2）减振器支架处载荷：减振器作用支架处的推力为2000N；

（3）货箱及载重量：28000N；

（4）油箱及蓄电池重量：450N和200N。

（三）修改前后强度分析

1．修改前后车架强度分析

基于铸件刚度过大而纵梁局部相对刚度较小现状，可增强纵梁局部刚度，降低了由于刚度差异较大引起的应力集中，改动相对较为容易。通过可行性分析，决定采用增加纵梁加固板的方式提高车架此处强度。

在开裂车架的减振器支架连接处，于车架内侧增加厚度为4mm的加强板，由此导致整个车架的应力分布变化，建立有限元模型与开裂车架进行对比分析，如图5所示。

图5　两种车架总成有限元模型

对比分析结果如图6所示，采用局部加固板与原车架最大应力均为244Mpa左右，应力分布一致，即改进后的车架对车架整体应力分布基本没有影响。然而，采用局部加固板车架处于前减震器支架处的车架应力有所降低，有必要对局部加强处的应力分布和数值进行分析。

图6　三种车架总成应力云图

2．修改前后开裂处车架强度局部分析

对减振器支架处进行局部分析如图7所示，从图中我们可以看出：开裂车架的最大应力为180.5Mpa，出现在纵梁与减振器连接处。同时，从应力云图上可以看出开裂处应力集中非常明显，这与开裂位置基本一致；采用局部加固板的车架应力减小为137Mpa，下降了24%。

四、应力应变测试

有限元分析显示，在前减振器支架处增加局部加固板理论上可以取得显著效果。考虑到CAE是一种近似数值分析方法，有必要对修改前后车架的实际应力分布及数值大小进行道路应力应变测试，尤其是前减振器支架处车架应力情况。

图7　减振器支架与车架连接处局部应力分布

（一）测试原理

电阻应变测量技术是利用电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应力-应变关系确定构件表面应力状态的应力分析方法。

（二）测试设备

本测试采用32点高速程控电阻应变仪，最高采样速度1200点/秒；箔式电阻应变片，阻值120Ω，灵敏度系数2.0；连接导线为超六类屏蔽双绞线，裸铜线径0.51mm，单根导线长6m。

（三）测试工况

通过选取车辆进行道路可靠性试验的工况作为本次应力应变测试的试验工况，即车辆在某试验场强化路各路面按可靠性试验要求行驶。试验场强化路面包括：窨井群、沥青路、减速坎、铁道路口、病害路、仿路沿突起、仿路沿坑洼、石块路、卵石路、鱼鳞坑路、搓衣板路、扭曲路、砂土路。

（四）测试方法

本测试取在车架取20个关键部位贴应变片，所有测点均采用1/4桥连接；所有部位应变片均采用单向片，车架具体贴片位置见图8。车辆通过强化路每种路面时，即实时对所有应变片位置处车架应变完成测试。

图8　车架应力测试点布置

（五）测试结果

由单项应力状态下的胡克定律可得：

σ=Eε（1）

式中：

E——与材料有关的比例常数，称为弹性模量

ε——应变

σ——应力

由表1可知QSTE500弹性模量E=210 GPa。

通过应变测试及公式（1），可以得出车架应变片粘贴部位的实际应力分布情况，由于测量点较多，现在重点列举前后悬架、减振器主要受力点的应变测试结果。

根据表2测试数据结果显示，车架增加局部加固板后，减振器支架与车架连接开裂处（应力测试通道19和20)应力由194.89MPa下降至142.73MPa，应力下降幅度为31%，车架可靠性明显提高。

车架增加局部加固板后，车架重点受力部位应力分布较为均匀，除开裂处较修改前应力有明显变化，其余部位均变化不大，说明增加加固板对车架整体应力分布没有影响。

由于模型的简化及实际道路工况的复杂性，车架修改前后有限元分析结果与应力测试结果存在偏差。有限元分析结果稍微小于应力测试结果，但是整体趋势相同。

同时为了检验修改效果，在后续的4000km强化路面试验中每天进行质量跟踪，该处纵梁以及加固板未出现新的裂纹，原有裂纹也没有继续扩大，说明修改措施有效。

表2　试验测试与有限元分析应力结果

五、结论

CAE分析方法是一种近似的数值分析方法，其模型较为理想化，不能准确预测工程部件使用的复杂情况，但是通过对部件进行CAE分析能确定部件近似应力分布情况，从而为应力应变测试指明测试的方向。本文结合CAE分析和车辆动态实时应力测试方法，成功提高了车架局部强度，解决了车架使用中存在的问题，证明了仿真分析加物理测试是有效的产品开发及优化手段。

参考文献：

[1]陈健，周福庚，等.轻型卡车车架模态试验及有限元模拟分析研究[J].合肥工业大学学报.2009，(32).

[2]马宇,李育文,等.应国增.EQ6590KS1车架试验及有限元模拟研究[J].煤矿机械.2007，(28).

[3]张新占.材料力学[M].西北工业大学.2005.

（责任编辑：袁媛）

中图分类号：U463.32

文献标识码：B

[文章编号]1671－802X(2016)02－0027－06

收稿日期：＊2016－03－10

作者简介：张华党（1984－），男，江苏徐州人，助理工程师，研究方向：汽车可靠性实验。E-mail:zhanghuadangPx@163.com.

The Strength Analysis and Stress-Strain Test of a Car Frame

ZHANG Hua-dang
(Product Test Deptment of the Technique Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei 230022,Anhui)

Abstract:For the crack problem of a car frame during road reliability test,the frame strength analysis and stress-strain test were conducted before and after modification.The results show that some slight differences exist between the strength analysis and test stress values although the stress distribution is consistent.Also,the intensity of the modified structure is better than that of the original structure,which proves that the simulation analysis with the physical test is a valid product development and optimization method.

Key words:stress-strain test;crack;finite element analysis;frame