基于比利时路的某牵引车车架疲劳分析

白素强　聂成刚　赵莉

摘要： 为分析某牵引车在比利时路上的车架疲劳，建立该牵引车整车多体动力学模型。将试验测得的车轮六分力加载到模型中进行仿真分析，并与试验结果对比，验证模型的可信性。提取多体动力学仿真结果中的车架载荷历程，基于模态应力恢复理论对车架进行疲劳分析，预测车架疲劳寿命。仿真结果表明该分析方法可作为车架疲劳分析的有效手段。

关键词：车架； 疲劳； 比利时路； 模态应力恢复； 车轮六分力； 整车试验； 有限元

中图分类号： U463.321；TB115.1

文献标志码： B

Abstract：To analyze the fatigue of a tractor frame on Belgian road， the multi-body dynamics model of the tractor is built. The six component force of wheel measured by experiment is loaded into the model for simulation analysis， and the credibility of the model is verified by comparing with the test results. The frame load history in multi-body dynamic simulation results is extracted. The frame fatigue analysis is performed based on modal stress recovery theory and the frame fatigue life is predicted. The simulation results show that the analysis method can be used as an effective method for frame fatigue analysis.

Key words：frame； fatigue； Belgian road； modal stress recovery； six component force of wheel； automobile test； finite element

0 引 言

车架是车辆的主要承载结构，支撑着驾驶室、发动机、油箱和蓄电池等部件，车架的疲劳特性直接影响整车的行驶安全性和使用耐久性[1]，因此及时预测车架疲劳寿命，防止车架疲劳破坏十分重要。

本文以某牵引车车架为主要研究对象，通过试验场实车试验，获取试验场比利时路相关试验数据，包括车轮上的六分力、轮心处加速度、悬架位移，以及前轴和后桥所在位置车架纵梁上的加速度等。基于Adams/Car建立该车整车多体动力学模型，车架设为柔性体，将试验获得的比利时路车轮六分力加载到多体动力学模型中进行仿真分析，并将轮心处加速度、悬架位移，以及前轴和后桥所在位置车架纵梁上的加速度等的仿真值与试验值进行对比，结果表明两者基本吻合，验证模型的可信性。提取多体模型中车架的载荷历程，基于模态应力恢复法分析车架及相关附件的疲劳寿命和危险区域，为车架及相关附件的改进奠定基础。

1 比利时路实车试验

为保证车架载荷历程的准确性，对整车多体动力学模型进行验证，同时在轮心施加载荷力激励该模型。实车道路试验主要有2个目的：一是获取车轮上的六分力用于激励整车多体动力学模型；二是获取轮心处加速度、悬架位移，以及前轴和后桥所在位置车架纵梁上的加速度等，用于验证整车多体动力学模型。

1.1 试验方案设计

试验测试对象包括车轮六分力、悬架位移和加速度。分别测试前、后车轮4个轮心处的六分力（见图1），前轴和后桥4个悬架位移，4个轮心处的三向加速度，前轴和后桥正上方车架纵梁上翼面4个垂向加速度（见图2）。

试验测试选取襄阳汽车试验场比利时路面，试验样车（见图3）为某4×2牵引车，带半挂车，满载46 000 kg，配载物为干燥沙子。

1.2 试验条件和设备

依據GB/T 12534—1990《汽车道路试验方法通则》和试验场及企业相关规程进行试验，样车的技术状况达到整车技术条件的要求，试验场风速小于5 m/s，路面干燥整洁，采样频率为512 Hz。试验设备见表1。

1.3 试验数据

试验采集的比利时路试验数据总时长约为167 s，4个车轮轮心垂向力见图4。综合考虑计算机资源、计算时间和后续疲劳分析等因素，

选取其中40 s的试验数据，即图4中41～81 s的数据进行分析。将选取数据的初始时间设为0，右后轮轮心垂向力见图5。

2 整车动力学仿真分析

载荷谱是进行车架疲劳寿命分析必不可少的条件，其精度在很大程度上会影响疲劳分析结果的精度。将车架柔性化后导入Adams/Car中，通过整车多体动力学仿真得到载荷谱，并基于模态应力恢复法分析车架疲劳。[2]车架分析流程见图6。

2.1 车架模态分析

2.1.1 建立有限元模型

基于HyperMesh建立车架有限元模型。纵梁、横梁、加强梁和钣金件采用壳单元，铸件采用四面体单元，螺栓孔周边进行局部细化并保留2圈WASHER单元，使用BEAM单元模拟螺栓和铆接连接。由于在后续整车多体动力学建模中需要将车架柔性化，因此采用刚性单元RBE2建立车架与Adams/Car的接口点。车架有限元模型见图7。

2.1.2 模态分析

车架模态是车架系统固有的振动特性，模态分析是判别车架结构动态特性的有效手段。[3]对自由状态下的车架进行模态分析，生成模态中性文件

和模态结果文件，前6阶模态分析结果（刚体模态除外）见表2。

2.2 建立整车模型

基于Adams/Car建立整车多体动力学模型。模型包括驾驶室及其悬置、动力总成及其悬置、车架及其附件、前后悬架、前后板簧、转向系统、稳定杆、半挂车及其悬架等子系统，整车多体动力学模型见图8。其中，车架为柔性体，基于车架模态中性文件建立。综合考虑柔性体规模、计算时间和重点关注频率等因素，车架模态频率设为70阶。在前悬架中，前轴为柔性体，模态频率设为26阶。前、后板簧应用Adams/Car中的板簧工具箱建立。由于采用试验测得的车轮六分力激励整车多体动力学模型进行仿真分析，因此未建立轮胎模型。

2.3 模型加载

将试验测得的比利时路车轮轮心六分力加载到模型中，见图9。由于试验误差和重力加速度的影响，在加载六分力后，模型不能完全达到平衡状态，因此为保证模型平衡，在轴端轮心力加载处建立X、Y、Z等3个方向（模型整车坐标系）弹簧单元与大地连接。为减小弹簧单元的影响，在保证模型平衡的前提下，其刚度应尽可能小，取10 N/m。

由于试验未测量半挂车车轮六分力，为模拟半挂车及其悬架系统的运动，在车架与半挂车连接处建立Z向（垂向）位移变量，在半挂车轴头处加载Z向位移，位移大小与半挂车和车架连接处位移相同，通过改变位移变量实现两者同步运动。半挂车及其悬架模拟见图10。

2.4 分析结果

为验证整车多体动力学模型，保证提取的车架载荷历程准确，将仿真值与试验值进行对比，见图11～14。

整车多体动力学仿真值与试验值基本吻合，说明整车多体动力学模型及仿真结果可信，能为后续疲劳分析提供较准确的车架载荷历程。

3 车架疲劳分析

从整车多体动力学仿真结果中提取车架各阶

模态位移结果作为车架载荷输入。[4]根据模态结果文件和模态位移文件，基于模态应力恢复理论，利用车架材料的S-N曲线[5]，在nCode中进行疲劳分析。

3.1 车架模态位移

提取整车多体动力学仿真结果中车架模态位移文件，此处共提取70阶模态位移（不包括前6阶刚性位移）结果，第1阶模态位移见图15。

3.2 车架材料参数

车架材料为510L，铸件材料为QT500，根据企业内部材料库中的材料参数，其S-N曲线见图16。

3.3 疲劳分析结果

车架整体、横梁和前板簧后支架疲劳寿命云图见图17～19。

车架最小疲劳循环次数为4.000E+05次，位于前伸梁与纵梁连接处；横梁最小疲劳循环次数为4.700E+05次，位于横梁与纵梁连接螺栓孔处；前板簧后支架最小疲劳循环次数为1.946E+08次，位于支架与纵梁下翼面连接螺栓孔处。上述疲劳分析可预测该车架疲劳危险区域，为后续车架改进提供一定的指导意义。

4 结束语

建立某牵引车整车多体动力学模型，将试验测得的比利时路六分力加载到模型中进行分析，提取车架载荷历程，基于模态应力恢复理论分析车架疲劳寿命。对比分析结果可知，该分析方法能较准确地预测车架疲劳寿命，可作为车架疲劳分析的有效手段。基于实测比利时路提取的车架载荷以及车架疲劳寿命，可为相似车型的设计提供一定的参考，为车架在其他路面激励下的疲劳分析提供参考。由于车轮六分力测量成本较大，可采用虚拟迭代的方式获得轮心位移载荷替代六分力载荷。该多体动力学建模方法和模型处理方式可为虚拟迭代提供重要的指导意义。

参考文献：

[1] 孙亚龙. 基于虚拟行驶试验的商用车车架疲劳寿命仿真研究[D]. 镇江： 江苏大学， 2015.

[2] 周驰. 实测道路激励下TY-2重型自卸车车架疲劳寿命分析[D]. 太原： 太原理工大学， 2015.

[3] 张守元， 沈磊. 重型载货汽车车架开裂分析和减重优化[J]. 汽车技术， 2015（11）： 7-10. DOI： 10.3969/j.issn.1000-3703.2015.11.002.

[4] 李明月， 李明山， 王金起， 等. 基于輪心六分力的载荷分解方法[J]. 计算机辅助工程， 2013， 22（S1）： 60-63.

[5] 孙天. 某重型商用车车架耐久性分析及轻量化设计[D]. 长沙： 湖南大学， 2013. DOI： 10.7666/d.Y2362550.

[6] 梁厅， 吴泽勋， 孟凡亮， 等. 基于模态应力恢复的轿车发动机舱盖焊点疲劳寿命分析[J]. 计算机辅助工程， 2017， 26（1）： 32-38. DOI：10.13340/j.cae.2017.01.006.

[7] 宁士翔， 苏小平， 王宏楠. 基于Adams/Car对车架动载荷的仿真分析[J]. 机械科学与技术， 2014， 33（2）： 289-292.

[8] 张少辉， 刘俊， 刘亚军. 基于六分力仪提取载荷谱的某乘用车副车架疲劳分析[J]. 农业装备与车辆工程， 2017， 55（6）： 49-53. DOI： 10.3969/j.issn.1673-3142.2017.06.011.

[9] 吴华杰. 基于路面载荷的轿运车车架振动疲劳分析[D]. 扬州： 扬州大学， 2013. DOI： 10.7666/d.y2419504.

[10] 吴泽勋， 张林波， 孟凡亮， 等. 基于虚拟迭代的轿车车身耐久性虚拟试验方法[J]. 计算机辅助工程， 2014， 23（6）： 37-40. DOI： 10.13340/j.cae.2014.06.008.

（编辑 付宇靓）