某卡车横向推力杆支架的仿真分析及结构改进

赵卫艳，李文涛，武小卫，田鹏超

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

某卡车横向推力杆支架的仿真分析及结构改进

赵卫艳，李文涛，武小卫，田鹏超

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

针对某卡车横向推力杆支架在试验场道路试验中出现早期疲劳断裂的问题，基于HyperWorks、Femfat两种软件构造的仿真平台，对支架进行静强度分析和疲劳仿真，并将计算结果与试验测试结果进行对比，验证了有限元分析结果的准确性，并找出了支架断裂的原因。然后对改进后的支架方案进行仿真分析，结果显示优化方案明显优于原方案。最后将优化方案进行了装车路试，效果显著，有效解决了支架断裂的问题。

横向推力杆支架；仿真分析；试验测试

CLC NO.:U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-181-04

前言

由于空气悬架能够有效改善汽车的行驶平顺性和操稳性，同时相比传统的钢板弹簧悬架具有质量小的优点，空气悬架在卡车上的应用越来越多。由于空气悬架只能承受垂向力，不能传递纵向力和侧向力，所以空气悬架需要装配合适的导向传力机构，横向推力杆就是用来传递横向推力的，以保证车辆的横向稳定性。横向推力杆一端安装在驱动桥上，另一端通过横向推力杆支架装在车架上，传递桥与车架之间的横向力。

某车辆在试验场综合路行驶456公里时出现横横向推力杆支架断裂，断裂位置为支架拐角处，同时导致气囊开裂失效，车辆无法正常运行。横向推力杆在车辆运行中，主要承受杆身轴向力，车辆转弯时，横向推力杆支架受到来自杆身的轴向拉伸或压缩力。

为了寻找断裂原因和优化方案，对横向推力杆支架进行了理化分析，同时对横向推力杆的受力进行了测试，以此作为有限元分析的基础，为方案改进提供正确的验证方法，以保证方案改进的有效性。

1、理化检测

根据宏观检查（图1），断口发生在横向推力杆支架的四个加强筋根部。其中一处断口宏观形貌见图2所示，断口稍不平齐，断面上无明显的宏观铸造缺陷，断口上可见人字形花纹，人字纹指向断口下边缘（断裂零件外表面）的加强筋根部，断口上边缘（断裂零件内表面）可见剪切唇。因此可以初步判定支架是由于根部的应力集中从而造成断裂。

图1 断裂件宏观形貌

图2 断口宏观形貌

断裂零件基体硬度平均为193HBW5/750。在断裂零件断裂处附近进行微观检查，零件石墨球化及大小均无异常，石墨大小可评为3级，球化级别可评为6级，见图所示。基体组织为铁素体+珠光体，珠光体量为珠35，见图3和图4所示，微观未见铸造缺陷、碳化物、磷共晶等。理化分析结果显示，断裂零件化学成分、金相组织、硬度均无异常，符合设计要求。

因此该支架材料及铸造未发现明显问题，因此需对其进行结构优化。

图3 石墨形态

图4 基体组织

2、应变测试

2.1 试验设备

应变片、直角应变花、笔记本电脑及32通道数据采集仪。

2.2 试验设计

对于承受二向应力且主应力方向难以判定的截面，一般选用直角应变花，而对于已知应力方向且为单向受力的截面，选用单向应变片，电阻值控制在120±0.3Ω范围内，灵敏度系数经事先标定为2.19。结合横向推力杆断裂现象及有限元分析结果，确定测点及其布置，共设计7个测点，分别为横向推力杆杆身中心位置（应变片，测点1、2、3）、横向推力杆支架四个试验断裂点位置（应变花，测点4、5、6、7），具体的测点位置和应变花方向如图5和图6所示。横向稳定杆杆身贴片是为了根据测得的轴向微应变得到横向推力杆的轴向受力，横向推力杆支架贴应变花是为了测得横推支架的真实应变，并对有限元分析的结果进行校核，保证分析过程的准确性和有效性。

图5 应变片测点示意图

图6 应变花方向示意图

2.3 试验工况

试验工况重现故障路段，以空载/满载在试验场综合路进行实车测试，综合路分别为搓板路、鱼鳞坑路、卵石路、砂石路和绕八字（左/右转圈）。采样频率1000Hz，截止频率150Hz。

2.4 试验原理及数据处理方法

粘贴在横向推力杆和支架上的各应变片通过导线与应变传感器连接，组成测量电桥，在外载的作用下，结构产生的应变反映为应变片电阻的变化，应变信号传给数据采集系统进行记录与存储。

根据相关理论，单向电阻应变片可根据公式（1），由所测应变片的应变计算出相应的应力。

式中：E为材料的弹性模量，ε为应变片的应变；σ为应变片的应力，MPa。

而对于直角应变花则需根据公式（2）及（3）计算相应的主应力。

式中：σ1,2为主应力，μ为材料的泊松比；ε1为直角应变花中0°方向应变片对应的应变值；ε2为直角应变花中45°方向应变片对应的应变值；ε3为直角应变花中90°方向应变片对应的应变值（图7）。

图7 三向应变片

图8 横向推力杆力和支架应力关系

根据公式（3）计算得到的主应力和公式（4），即可求得vonMises应力，即：

式中，σvon为vonMises应力，σ1、σ2、σ3张量的主应力。

文中，由于测量的是平面应力，因此σ3=0，σ1、σ2为根据公式（3）计算的主应力。根据试验测得的应变，并依据公式（3）、（4）计算得到横向推力杆支架的vonMises应力。由于横向推力杆受轴向拉压力，因此根据横拉杆上单向应变片的轴向测试应变和公式（1）、（5）计算得到横向推力杆的轴向力Faxial。

式中，Faxial为横向推力杆轴向力，A为推力杆截面积。

根据上述公式计算各个工况横向推力杆应力、轴向力和横推支架应力，具体数据如表1所示。对横向推力杆轴向力和横向推力杆支架应力值进行分析，可以看出两个数值具有很好的线性关系（图8），根据这个关系推出轴向力为60000N时横向推力杆支架的应力为406MPa，可用于有限元分析，由此亦可证明横向推力杆支架仅受轴向力的假设是合理的。

表1 应力、轴向力计算结果

3、有限元分析

3.1 静强度分析

根据三维模型和受力情况进行有限元建模，采用Hypermesh/Radioss进行处理，本模型可以简化为车架两端约束、单点加载的计算工况。车架网格为四边形网格，尺寸为10mm，横向推力杆支架采用四面体网格，尺寸为4mm，横推支架与车架之间建立beam单元连接，模拟螺栓连接。

在建立好的有限元模型上施加约束定义，约束条件为建立车架两端的多点约束单元（multi-point constraint，MPC），在车间两端的节点上分别约束其在X、Y、Z三个方向的平动自由度，模拟车架固定。横向推力杆与支架的连接点分别施加Y、-Y向轴向力，模拟横向推力杆的横向力，边界条件和有限元模型分别如图9和图10所示。

图9静强度分析边界条件

图10 有限元分析模型

模型中，横向稳定杆支架材料为QT500，材料参数见表2。

表2 材料参数

有限元分析中加载横向力60000N，计算出point2点附近vonMises应力为366.5MPa，与试验测试结果比较，相对误差9.73%，见图11和图12，图中黑色椭圆形框内为测试比较点。9.73%符合工程使用的误差范围，因此仿真结果与试验值相吻合，有限元模型及边界条件加载正确，可以用于后期方案改进提升的校核。

图11 静强度分析结果（vonMises应力）

图12 试验point2点 应变花位置

3.2 疲劳分析

采用Femfat软件基于应力疲劳分析方法和线性损伤累加理论进行疲劳寿命计算。将静力计算结果导入到Femfat软件中，加载正弦曲线（图13），模拟横向推力杆对支架的轴向拉压力，评价横推支架的寿命值。计算得到横推支架寿命值为192次（图14），不满足设计指标106次。

图13 正弦曲线

图14 横推支架疲劳寿命计算结果

经过静强度和疲劳分析可以看出，横向推力杆支架应力超过材料屈服强度，疲劳寿命远远低于寿命设计指标106次，从分析角度证明横向推力杆支架存在风险，需要对结构进行改进。

疲劳分析结果与静强度分析结果一致，危险点均位于加强筋根部，表明横向推力杆支架加强筋根部首先产生裂纹源，与断裂件理化检测的结果吻合，进一步验证仿真模型及边界条件的准确性。

4、优化方案

经过仿真与试验结果的对比，验证了仿真模型的可靠性，结合分析结果进行下一步优化方案的设定。考虑应力集中发生在横向推力杆支架加强筋的根部，所以增大根部连接的可靠性，避免截面突变，缓解应力集中现象，增加疲劳寿命。基于此，对原方案（图15）进行改进，增强根部，连接硬点保持不变，优化方案如图16。

图15 原方案

图16 优化方案

根据前述分析方法，得到优化方案静强度和疲劳分析结果，最大应力由460 MPa下降到171MPa，而且有效缓解了应力集中现象；疲劳寿命大幅提升，由192次提升到2.0×106次。优化方案效果明显，分析结果见图17和图18。

对优化方案进行装车试验，截止目前已行驶5000公里，横向稳定杆支架未出现断裂。

图17 优化方案静强度计算结果

图18 优化方案疲劳寿命 计算结果

5、结束语

文中利用Hyperworks、Femfat软件相结合的仿真平台，对横向推力杆支架断裂问题进行了系统分析，并有效解决了问题。结论如下：

（1）对横向推力杆和支架进行贴片，测得横向稳定杆的轴向力，作为横向推力杆有限元分析的边界条件。

（2）通过有限元计算结果与测试结果的比较可知，在对横向推力杆支架进行有限元分析时，建立的有限元模型是正确的，分析过程中约束及加载与试验工况相似，两者之间的误差能够满足工程要求。

（3）以静强度分析结果为输入，通过疲劳软件进一步分析横向推力杆支架的疲劳寿命，得到寿命最低点，疲劳分析结果与试验失效位置一致，进一步验证有限元分析的可靠性。

（4）对改进前后的支架疲劳寿命进行对比分析，改进方案显著降低了支架上的应力，提高了支架的疲劳寿命，经实际装车道路试验，改进方案有效解决了横向推力杆支架断裂的问题。

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Simulation analysis and structural improvement of a truck lateral tie bar bracket

Zhao Weiyan, Li Wentao, Wu Xiaowei, Tian Pengchao
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The lateral tie bar bracket of a truck early fatigue fractured in the vehicle road test, then the static strength and fatigue simulation were accomplished on the simulation platform that comprised by HyperWorks and Femfat. The analysis results were compared with the experiment tests which proved the finite element analysis was accurate, and the reason of early fatigue fracture of the bracket was revealed. Then the simulation calculation of the improved bracket was carried out, which showed the optimization structure was better than the former one. As a result, the optimization structure was assembled on the truck and tested in the vehicle road test, the truck worked well, and the early fatigue fracture problem was solved.

lateral tie bar bracket; simulation analysis; experiment test

U467.4

A

1671-7988 (2017)08-181-04

赵卫艳，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.061