高耀東,胡欣欣

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

攪拌車副車架疲勞強(qiáng)度優(yōu)化

高耀東,胡欣欣

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

摘要：以CAE技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)13方混凝土攪拌運(yùn)輸車副車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、疲勞壽命分析，并提出優(yōu)化方案。應(yīng)用CATIA軟件建立副車架實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench15.0中，得到有限元模型；考慮攪拌車典型工況進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲得副車架在各工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況；在靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上，使用Fatigue Tool對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行分析評(píng)估，找出應(yīng)力集中點(diǎn)和容易產(chǎn)生疲勞失效的部位，得到疲勞分析結(jié)果。用解析法驗(yàn)證有限元分析的正確性。針對(duì)車架疲勞壽命分析反映出來的問題，建議主要在材料、結(jié)構(gòu)和工藝三方面對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化，提出優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：有限元；副車架；疲勞分析；優(yōu)化

0　引言

疲勞是材料或零件在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)生突然脆性斷裂的現(xiàn)象[1]。汽車零部件大多是在隨機(jī)載荷循環(huán)作用下工作，它們承受的應(yīng)力水平較高，工作一定時(shí)間后，經(jīng)常會(huì)突然發(fā)生疲勞破壞，從而造成嚴(yán)重的后果。因此，汽車結(jié)構(gòu)與部件的疲勞分析已成為汽車產(chǎn)業(yè)主要考慮的設(shè)計(jì)因素。由于副車架是主要承載部件，在工作中承受著不同程度和不同工況的交變載荷，極易產(chǎn)生裂紋并進(jìn)一步造成疲勞失效，因此對(duì)其疲勞特性進(jìn)行研究十分重要。

1　有限元模型

應(yīng)用CATIA軟件對(duì)副車架幾何模型進(jìn)行實(shí)體建模，將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench15.0中。副車架主要尺寸如圖1所示。

選擇8節(jié)點(diǎn)的3D實(shí)體單元SOLID185劃分副車架結(jié)構(gòu)。副車架材料為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345B。材料參數(shù)如表1所示。

Relevance設(shè)置為50，Relevance Center設(shè)置為Medium，進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。最終副車架的有限元模型共有節(jié)點(diǎn)64 634個(gè)，單元38 878個(gè)。副車架的有限元模型如圖2所示。

2　靜力學(xué)分析

2.1典型工況

根據(jù)載荷形式，結(jié)合實(shí)際工作情況，選取以下典型工況對(duì)副車架進(jìn)行分析。

(1)純彎曲工況

滿載靜止或者水平好路滿載勻速行駛情況下的工況，這是副車架最基本的變形形式，在任何工況下都會(huì)存在。動(dòng)載系數(shù)為1.5。

(2)扭轉(zhuǎn)工況

滿載在崎嶇的不平路面行駛，右后輪抬高80 mm，其余各輪位于同一水平面的工況。動(dòng)載系數(shù)為1。

(3)彎扭聯(lián)合工況

滿載在崎嶇的不平路面上行駛，多個(gè)車輪被抬高或下陷的工況。這是對(duì)車架強(qiáng)度要求最高的工況。動(dòng)載系數(shù)為1.5。

(4)制動(dòng)工況

滿載在水平好路緊急制動(dòng)的工況，取制動(dòng)加速度為4 m/s2。

2.2邊界條件

車架計(jì)算的成敗很大程度上取決于邊界條件的處理，不同的分析工況決定著模型的載荷與約束形式[2]。

基本載荷：駕駛室及成員總成為0.6 t，減速器為0.4 t，水箱450 L。均按實(shí)際安裝位置加載。滿載時(shí)混凝土質(zhì)量為3.6×105t，上裝部分質(zhì)量取1.2×104t。通過前后支撐加載到副車架上。

約束：副車架的變形情況主體上是順應(yīng)主車架的變形規(guī)律，故副車架的約束處理方式和主車架的約束基本一致[3]。在主車架上對(duì)應(yīng)懸架位置設(shè)置約束。副車架的約束情況如表2所示。

2.3載荷計(jì)算

G為混凝土的重力，m為混凝土的質(zhì)量，a為加速度，F(xiàn)V、FH為前支撐對(duì)罐體的豎直作用力和水平作用力，F(xiàn)N為后支撐對(duì)罐體的支撐力,由靜力學(xué)計(jì)算出FV、FH、FN的值。罐體的受力分析圖如圖3所示。

平衡方程如下：

∑MO=0； -FN·L2/cosθ=KV·G·L1

(1)

∑FY=0； FV+FN·cosθ=KV·G

(2)

∑FX=0；FH-ma-FN·sinθ=0

(3)

由罐體的平衡方程聯(lián)立計(jì)算，可得到罐體所受支反力：

FN=207 618.848 N；FV=263 537 N；FH=36 042.63 N；

FH=160 842.63 N(制動(dòng))。

已知縱梁與前、后支撐的接觸面積為S前=0.004 445 m2，S后=0.003 922 m2，計(jì)算出副車架所承受的均布載荷，施加在縱梁與前、后支撐接觸面上，方向由坐標(biāo)系確定。

2.4結(jié)果分析

由分析結(jié)果可知，惡劣的路面狀況和極限承重載荷的作用成為車架失效的主要原因。如表3所示。

副車架在勻速行駛時(shí)的純彎曲、緊急剎車制動(dòng)和某輪駛上凸臺(tái)的扭轉(zhuǎn)工況下，所受最大應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值，說明這些工況下副車架是安全的，副車架最后端變形相對(duì)前段更為嚴(yán)重[4]，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在兩縱梁與主車架的連接處。

在彎扭工況中，其最大應(yīng)力值達(dá)364.5 MPa，超過許用應(yīng)力。長(zhǎng)期反復(fù)作用，極易造成車架的疲勞破壞，所以應(yīng)對(duì)此工況進(jìn)行疲勞分析。

3　疲勞分析

3.1估算材料的S-N曲線

材料的S-N曲線，只能夠代表該材料標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣的疲勞性能[5]。在確定副車架的S-N曲線時(shí)，需考慮應(yīng)力集中、形狀尺寸、表面狀況、載荷類型這些影響疲勞強(qiáng)度的因素。

副車架疲勞試驗(yàn)所采用的應(yīng)力壽命曲線，可采用最小二乘法來確定最佳擬合，其擬合方程為：

lgN=a+blgσ-1

(4)

式中：a，b是待定常數(shù)，副車架材料為Q345，該材料的屈服極限為345 MPa，強(qiáng)度極限為586 MPa，當(dāng)可靠度取95%時(shí)，可得a=31.928 5和b=-10.510。查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》并進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算得出不同N時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞極限σ-1N，并繪出S-N曲線，如圖4所示。

以S-N曲線為基礎(chǔ)，在考慮平均應(yīng)力的影響時(shí)，應(yīng)采用Goodman方法進(jìn)行修正。

3.2參數(shù)設(shè)置

在Fatigue Tool中添加壽命life、安全系數(shù)Safety Factor、損傷Damage、疲勞敏感系數(shù)Fatigue Sensitivity。副車架振動(dòng)為高周疲勞，應(yīng)選擇應(yīng)力疲勞分析。疲勞強(qiáng)度因子0.8，設(shè)計(jì)壽命大于1×105，疲勞敏感性最小50%、最大200%。

3.3結(jié)果分析

圖5顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，可知：最大壽命是107次循環(huán)，最小壽命為59 731次循環(huán)。并給出最低壽命位置。圖5顯示的壽命與廠家給出的車架發(fā)生疲勞破壞時(shí)間相符。

損傷為設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值，最大損傷的位置也就是壽命最低的位置[6]。副車架最大損傷

αDamage=Life設(shè)/Life用=1×105÷59731=1.674

最大損傷位置發(fā)生在中間位置橫梁與縱梁銜接處，容易發(fā)生疲勞破壞，應(yīng)著重加強(qiáng)此位置的強(qiáng)度與剛度。副車架損傷云圖如圖6所示。

4　理論檢驗(yàn)

鑒于有限元結(jié)果無法驗(yàn)證自身正確性，故使用解析法對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度校核。實(shí)際使用狀況下車架的受力比較復(fù)雜，在車架初始設(shè)計(jì)時(shí)，一般將車架強(qiáng)度校核簡(jiǎn)化為對(duì)車架縱梁進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核。

4.1基本假設(shè)

縱梁是支撐在懸架支座上的簡(jiǎn)支梁；所有作用力均通過車架縱梁斷面的彎曲中心；空車簧載質(zhì)量均勻分布在汽車左、右縱梁上；滿載時(shí)有效質(zhì)量為集中載荷；主、副車架為剛性連接[7]。

4.2車架受力分析及計(jì)算

車架受力分析如圖7所示。

(1)由車架平衡條件計(jì)算可得：

Ff=[Gs(L/2-a)+Ge(b+l-f-n)]/b=320 842.53 N

Fr=[Gs(L/2-l)+Ge(f+n-l)]/b=104 037.75 N

式中：Ff、Fr為前、后軸對(duì)車架的支反力，Gs為空車簧載質(zhì)量，取Gs=2m0g/3(m0為汽車整備質(zhì)量)。

(2)由上裝平衡條件計(jì)算可得：

Gef=Ge(f+n/2)/(d/2+e+f+n/2)=163 798.32 N

Ger=Ge-Gef=Ge(e+d/2)/(d/2+e+f+n/2)=154 701.68 N

式中：Gef、Ger分別為前、后支架所承受的有效載質(zhì)量。

4.3車架縱梁彎矩計(jì)算

由受力分析和計(jì)算結(jié)果，可計(jì)算每側(cè)車架縱梁各段的彎矩，由此可求得車架縱梁的最大彎矩。

M4=-GsX2/(2L)+Ff(X-a)-Gef(X-a-c-d)

a+c+d

當(dāng)X=a+b=6.251 1時(shí)，M最大。

Mmax=M4=664 251.15 N·m

4.4主、副車架縱梁的截面慣性矩計(jì)算

式中：Jz、Jf分別為主、副車架縱梁的截面慣性矩，其余各變量含義詳見圖8。

4.5副車架縱梁強(qiáng)度校核

副車架縱梁最大動(dòng)彎曲應(yīng)力：

σfd=HfMmax/2(Jz+Jf)<[σfs]

σfd=194.76 MPa<[σfs]

式中：Hf為副車架縱梁高度；[σfs]為副車架縱梁材料許用應(yīng)力。

副車架在彎曲工況下的有限元分析結(jié)果為197 MPa，與理論校核結(jié)果相差不大，證明邊界條件處理合理，可提供參考價(jià)值。疲勞分析結(jié)果最小疲勞壽命59 731個(gè)循環(huán)，按每天8 h工作折算約為150天。廠方資料顯示：攪拌車長(zhǎng)期超載使用，半年左右副車架開始出現(xiàn)疲勞破壞，疲勞壽命預(yù)測(cè)可靠。

5　優(yōu)化建議

高值殘余應(yīng)力和高值結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力的疊加是車架產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。因此降低殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力、減小應(yīng)力集中是優(yōu)化車架疲勞特性的主要思路。

針對(duì)車架疲勞壽命分析反映出來的問題，建議主要在材料、結(jié)構(gòu)和工藝三方面對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化。材料方面建議采用熱軋H型鋼；對(duì)車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖9所示；制造工藝方面建議采用振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)力工藝和表面噴丸工藝。對(duì)優(yōu)化后的車架進(jìn)行靜力學(xué)分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示在最惡劣的彎扭工況下最大應(yīng)力值僅222.42 MPa，小于許用應(yīng)力，優(yōu)化后的車架壽命也符合要求。證明該優(yōu)化模型可提供參考價(jià)值，達(dá)到優(yōu)化目的。

6　結(jié)論

副車架作為混凝土攪拌車底盤的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和性能直接影響攪拌車產(chǎn)品的性能。文中結(jié)合有限元分析法和疲勞理論兩個(gè)方面對(duì)副車架進(jìn)行分析，應(yīng)用CATIA軟件建立副車架實(shí)體模型，利用ANSYS Workbench15.0軟件對(duì)副車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，確定應(yīng)力應(yīng)變集中位置。在此基礎(chǔ)上以修正的名義應(yīng)力法對(duì)副車架進(jìn)行疲勞分析，并輔以解析解驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，結(jié)合靜力學(xué)及疲勞分析結(jié)果提出優(yōu)化建議。

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Fatigue Strength Optimization for Concrete Mixer Sub-frame

GAO Yaodong,HU Xinxin

(Institute of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,

Baotou Inner Mongolia 014010, China)

Abstract:Based on the CAE technology, the structure and fatigue life of 13 square concrete mixer’s sub-frame were analyzed and improvement program was proposed. The physical model of the sub-frame was established by using CATIA software and this model was imported into ANSYS Workbench 15.0, then the finite model was gotten. According to the practical condition, statics analysis was made, then the changes of stress and strain of sub-frame under different working conditions were obtained. On the basis of statics analysis, the fatigue life was evaluated through Fatigue Tool and the parts of stress concentration and fatigue failure were found out, then the result of fatigue analysis was gotten. For the problem of the fatigue life analysis, it was suggested that more improvements should be done on the material, structure and craftwork of the frame and an optimization scheme was proposed.

Keywords:Finite element analysis; Sub-frame; Fatigue analysis; Optimization

收稿日期：2014-12-22

作者簡(jiǎn)介：高耀東(1966—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化：CAD、CAE技術(shù)的研究應(yīng)用。E-mail：jxxgyd@126.com。

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