周友明，梁建福

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州 545005）

0 引言

車架是汽車的基體，商用車車架一般由兩根縱梁和若干根橫梁組成，橫梁通過連接板與縱梁連接，或直接鉚接在縱梁上。車架需要有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受汽車內(nèi)外的各種載荷和從車輪傳來的沖擊。因此，車架的可靠性極為重要，不僅關(guān)系到車輛是否能正常運(yùn)行，還關(guān)系到整車的安全性。文中針對某牽引車車架開裂的故障問題，利用有限元計算及電測試驗進(jìn)行分析對比并提出改進(jìn)方案。相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法，利用有限元方法分析得出的改進(jìn)方案更為有效，質(zhì)量及成本控制得更為合理。

1 問題描述

某牽引車車架是2013年初投放市場，在2013年7月的市場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分車輛在行駛到5萬公里左右時，出現(xiàn)了尾梁連接板開裂，如圖1所示。

該車型用戶主要是用于拉煤炭、鐵粉、石材等，車輛滿載時總質(zhì)量在50 t左右，行駛的路面主要有高等級公路、國道和礦區(qū)公路。高等級公路和國道路況較好，礦區(qū)公路部分路段存在凹凸不平的情況。

2 原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

該車型為單后橋牽引車，尾梁連接板與縱梁及板簧支座固定在一起，該部位所受沖擊較大。連接板開裂位置一處從連接板邊緣開裂至板簧支座安裝螺栓處，初步懷疑為因該處受力較大，局部強(qiáng)度不足從而導(dǎo)致開裂。而連接板開裂位置二處存在著突變結(jié)構(gòu)，在受較大的沖擊載荷或扭轉(zhuǎn)時容易導(dǎo)致撕裂，初步認(rèn)為是結(jié)構(gòu)不合理所導(dǎo)致。

2.2 有限元分析

在有限元分析中，通常采用二維板殼單元對薄板件進(jìn)行模擬。由于車架是由一系列板件組成的結(jié)構(gòu)，宜用板殼單元進(jìn)行模擬，這種模型可以使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。該車架的整個分析過程均是采用Hypermesh進(jìn)行前后處理工作，包括網(wǎng)格的劃分、載荷及約束、工況的定義、計算及結(jié)果顯示等。

劃分好的有限元模型如圖2所示，共包括319 981個節(jié)點、948 549個單元。為使模擬計算的結(jié)果更貼近實際情況，共模擬計算了彎曲工況、左前輪扭轉(zhuǎn)工況、左前中輪扭轉(zhuǎn)工況、左后輪扭轉(zhuǎn)工況、右前輪扭轉(zhuǎn)工況、右前中輪扭轉(zhuǎn)工況、右后輪扭轉(zhuǎn)工況共7個工況。7個工況的應(yīng)力云圖見圖3（為清晰看到連接板的應(yīng)力分布情況，故只截取尾梁及尾梁連接板部分的應(yīng)力云圖）。

從應(yīng)力云圖上可以看出:開裂位置一在所有工況下應(yīng)力均較大，開裂位置二在前中輪扭轉(zhuǎn)和后輪扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力較大。故障位置的有限元分析應(yīng)力值見表1（因尾梁及尾梁連接板為對稱結(jié)構(gòu)，故取值時選擇了該工況下應(yīng)力最大一側(cè)的應(yīng)力值）。

表1 各工況下故障位置的有限元分析結(jié)果 MPa

該連接板所采用的材料屈服強(qiáng)度為700 MPa，疲勞強(qiáng)度為375 MPa，因彎曲工況為常見工況，用疲勞強(qiáng)度計算安全系數(shù)，其他工況為極限工況，用屈服強(qiáng)度計算安全系數(shù)。根據(jù)有限元分析的結(jié)果，位置一的應(yīng)力有3個工況已經(jīng)超過該材料的許用應(yīng)力范圍，其他工況也接近材料極限，因此該處確定存在較大的開裂風(fēng)險。位置二在彎曲工況時安全系數(shù)為375/236=1.59，其他工況的最小安全系數(shù)為700/465=1.51。因計算模擬的為靜態(tài)極限工況，考慮到動載沖擊，對于車架較為可靠的最小安全系數(shù)為1.5×1.3=1.95（1.5為動載系數(shù)）。因此位置二也存在一定的開裂風(fēng)險。

2.3 電測試驗

2.3.1 靜態(tài)測試

根據(jù)車輛行駛過程中可能碰到的路面情況，模擬進(jìn)行了彎曲工況、左前輪扭轉(zhuǎn)工況、左前中輪扭轉(zhuǎn)工況、左后輪扭轉(zhuǎn)工況、右前輪扭轉(zhuǎn)工況、右前中輪扭轉(zhuǎn)工況、右后輪扭轉(zhuǎn)工況共7個工況的測試。靜態(tài)測試模擬方法如圖4所示。

各工況下的電測結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比如圖5和圖6所示。

電測值大部分均比有限元分析結(jié)果小，主要是因為有限元分析中的連接件均是采用rb2剛性體模擬，易導(dǎo)致應(yīng)力集中。從有限元分析結(jié)果和電測結(jié)果的趨勢來看基本吻合，說明電測結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本可靠。

2.3.2 動態(tài)測試

動態(tài)測試選擇了一段路面情況如圖7所示的道路，測試時間約13 min，路段全長約10 km。連接板位置一的動態(tài)測試數(shù)據(jù)波形如圖8所示，動態(tài)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 兩個位置的動態(tài)測試數(shù)據(jù) MPa

根據(jù)疲勞強(qiáng)度分析理論，零件材料的極限應(yīng)力曲線即為折線A'G'C。材料中發(fā)生的應(yīng)力如處于OA'G'C區(qū)域以內(nèi)，則表示不發(fā)生破壞;如在此區(qū)域外，則表示一定要發(fā)生破壞;如正好處于折線上，則表示工作應(yīng)力狀態(tài)正好達(dá)到極限狀態(tài)［1］，如圖9所示。

由于缺少脈動循環(huán)變應(yīng)力的疲勞極限，作者保守地直接將對稱循環(huán)變應(yīng)力的疲勞極限與屈服極限兩點連成一條直線A'C，如圖9所示。將測點數(shù)據(jù)標(biāo)記在圖表上，最大應(yīng)力值對應(yīng)橫坐標(biāo)，應(yīng)力幅值對應(yīng)縱坐標(biāo)，如圖10所示 （屈服強(qiáng)度極限為700 MPa，疲勞強(qiáng)度極限為375 MPa）。

2.4 結(jié)果分析

結(jié)合有限元分析及電測試驗結(jié)果可知，連接板開裂位置一的確存在較大的開裂風(fēng)險，連接板開裂位置二雖然應(yīng)力相對位置一并不高，但相對其他部位應(yīng)力仍然較高，且因其存在突變結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料在剪切過程中存在微小瑕疵時就容易引發(fā)開裂。

3 整改措施

根據(jù)有限元分析及電測試驗結(jié)果，對尾梁連接板提出4個改善方案，如表3所示。

表3 尾梁連接板改善方案

通過對上述4個改善方案進(jìn)行有限元分析，對比每個方案的改善效果。各方案中左前中輪扭轉(zhuǎn)和右后輪扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力云圖分別如圖11和圖12所示。各方案在開裂位置的應(yīng)力對比見表4和表5。

表4 開裂位置一在各工況下的應(yīng)力對比 MPa

表5 開裂位置二在各工況下的應(yīng)力對比 MPa

從應(yīng)力對比來看，方案2強(qiáng)度是最好的，但其增加的質(zhì)量較多，除去方案2以外，方案3、方案4的強(qiáng)度也較好。由于方案4在計算中墊塊與橫梁連接板為剛性連接，板間的接觸作用沒有體現(xiàn)，而實際經(jīng)驗中墊塊對應(yīng)力的分散有一定的作用。綜合考慮，采取了方案4作為此次整改的最終方案。

4 結(jié)束語

（1）車架是整車的基礎(chǔ)，要提高整車的可靠性，必須要保證車架質(zhì)量，避免車架出現(xiàn)開裂等故障。通過有限元分析和電測試驗，可以準(zhǔn)確地分析出車架的故障原因。

（2）在現(xiàn)有的材料性能參數(shù)下，通過簡化材料的極限應(yīng)力曲線，對各測試點的應(yīng)力進(jìn)行評判，為車輛的動態(tài)測試結(jié)果數(shù)據(jù)判斷提供了一種很好的方法。

（3）將有限元分析和電測試驗很好地應(yīng)用到車架設(shè)計中，在借助經(jīng)驗設(shè)計的同時，可以為車架設(shè)計提供有力的數(shù)據(jù)，充分驗證方案的優(yōu)缺點，從而可以提高設(shè)計的合理性。

【1】濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2006.

【2】余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【3】劉濤.汽車設(shè)計［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2008.

【4】趙立軍.汽車試驗學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2008.

【5】傅永華.有限元分析基礎(chǔ)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2003.

【6】李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.