重型自卸汽车车架横梁异常断裂原因分析

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Statistic analysis of fire accidents in urban villages of Kunming
SONG Zhi gang 1
,C HE N Shuo 2
,BAI Yu
1
(1Faculty of Civil Eng i neering and Architecture,Kunming Uni versity of Science and Technology,Kun ming 650224,China;2Fi re Protec ti on Section of Panlong District,Kun ming 650224,China)
Abstract:This paper is ai med to provide our analysis on the si tuation of the fire accidents in urban villages (UVs)of Kunming.To under stand the fire characteristic features in UVs,we have studied the fire records from 2004to 2006in the said areas and analyzed the causes that led to such fires.In such areas,one of which is the speeding up of the process of urbanization in the country.It has become a critical problem for the UVs to lack strict city planning and specialized resi dential admi nistration and management,which has turned to be a key to social disorder and reasons to lead fire accidents.Accordi ng to fire sites,the fire records can be first of all classified into two categories,those taking place in UVs and those taking place non UVs.Bayesian algori thm calculation indicates that the fire probabilities of buildings in UVs prove qui te different with higher risk buildings clustered to gether with the corresponding risk ratio.We have also done the corre lation analysis (CAFSC)on the building fire cause.The analysis shows that there is significan t dissi milari ty between the C AFSC results for UVs and those for non UVs.The dissi milarity reflects the differen t features of the fire sites or/and fire causes in UVs that are distin guished from those in non UVs.Many of the features in UVs prove to be in conformity wi th the field inves tigation.
Key words:safety engineering;fi re;risk;statistic;urban village CLC number:X928 01 D ocument code:A Article ID:1009 6094(2008)06 0112 05
*收稿日期:2008-07-16
作者简介:刘大维,教授,博士,从事地面-车辆系统与控制技术
研究,qdldw@163 com 。

基金项目:青岛市科技局工业攻关项目(05-1-GX-23)
文章编号:1009 6094(2008)06 0116 05
重型自卸汽车车架横梁
异常断裂原因分析*
刘大维1,陈焕明1,刘 伟1,夏
2
(1青岛大学车辆工程系,山东青岛266071;2重汽集团专用汽车公司,山东青岛266031)
摘 要:针对无副车架的重型自卸汽车在使用过程中出现的车架横梁异常断裂问题,建立了以板壳单元为基本单元的自卸汽车车架有限元分析模型,采用NASTRAN 有限元分析软件对车架强度进行分析。

有限元分析结果表明,车架横梁异常断裂现象是横梁连接部位应力值大于材料的屈服强度引起的,这与实车车架断裂结果吻合。

根据实际工艺要求,改造车架结构,将连接第2根横梁和纵梁的L 板厚度变大,并将平衡悬架推力杆支座由整体式支撑改为分体式支撑,从而使两处的最大应力值分别比原结构下降20 4%和51 7%。

改进后车架断裂区的强度明显提高,这表明改造方法有效。

关键词:安全模拟与安全仿真学;自卸汽车;车架;异常断裂;
有限元分析
中图分类号:U461 91 文献标识码:A 0 引 言
近年来,汽车车架断裂已成为一个重要的安全问题,而国
内许多学者和生产企业也对汽车车架断裂问题进行了大量研究[1-5],但有关无副车架重型自卸汽车车架断裂问题的研究较少。

自卸汽车常用于矿山、工地、港口等场所,且多在道路不平、超载严重的恶劣条件下使用,其使用环境复杂。

为提高自卸汽车整车的载质量,降低整备质量,增大载质量利用系数和比功率系数,某专用汽车公司设计生产了无副车架的重型自卸汽车。

取消副车架的自卸汽车降低了整车的整备质量和质心,提高了汽车行驶的稳定性、安全性及有效载质量和运输效率,同时也降低了运输成本[6],但无副车架的重型自卸汽车在使用过程中出现了车架横梁异常断裂现象。

本文建立以板壳单元为基本单元的车架有限元分析模型,采用NAS TRAN 有限元分析软件研究无副车架重型自卸汽车的车架结构强度,分析车架横梁断裂原因并提出改进方法。

1 有限元分析模型的建立
1 1 车架有限元分析模型
某无副车架重型自卸汽车(Z3252K 型)的车架为槽型断面梯形边梁式结构,主要由2根主纵梁、2根副纵梁和6根横
梁组成,其中横梁与纵梁通过铆钉连接。

汽车举升机构的双联液压缸位于车架内侧,为内跨式支撑;车厢后翻转轴支座与车架直接采用贯通轴连接;前桥通过普通钢板弹簧与车架相连,后桥通过平衡悬架与车架相连。

考虑车架几何模型的复杂性,采用Pro/E 软件建立车架116
第8卷第6期2008年12月 安全与环境学报Journal of Safety and Environ ment
Vol.8 No.6
Dec,2008
模型,通过HyperMesh 软件进行网格划分,将划分好的网格文件导入MSC.Patran 软件,利用MSC.Patran 与MSC.Nastran 的良好接口功能,将MSC.Patran 中定义的有限元模型的材料属性及边界条件提交到MSC.Nastran 并计算。

各横梁、纵梁和侧翼板的划分采用边长为10mm 的四边形板壳单元(Shell);板簧吊耳的划分采用边长为20mm 的四面体单元(Solid)。

车架各构件通过铆钉或螺栓连接,构建装配关系时,先采用刚性单元在装配孔边缘与装配孔中心间建立约束关系,再对装配孔中心点进行刚性连接(图1)。

钢板弹簧和平衡悬架推力杆采用MSC.Patran 软件单元库中2节点的梁单元(Beam)进行模拟。

对钢板弹簧,须保证梁单元具有与实际弹簧相同的力学特征,即相同的弯曲刚度。

将钢板弹簧作为1根简支梁,简支梁受集中载荷时中点的弯曲刚度为
K =48EI /l 3
(1)
式中 E 为材料的弹性模量,N mm -2;I 为截面惯性矩,
mm 4;l 为梁长度,mm 。

为简化模型,设定模拟钢板弹簧梁截面为边长为a 的正方形,则
l =a 4/12
(2)
整个车架及悬架的有限元模型由208286个单元、175133个节点组成(图2)。

车架纵梁采用A610L 大梁用钢板,屈服强度 s =565MPa,最小抗拉强度为640MPa,最大抗拉强度为670MPa;横梁采用16MnL 钢板,屈服强度 s =360MPa,最小抗拉强度为510MPa,最大抗拉强度为610MPa 。

弹性模量E =210000N/mm 2,泊松比 =0 3。

前钢板弹簧的垂直刚度系数k 前=200N/mm,后钢板弹簧的垂直刚度系数k 后=2200N/mm。

图1 铆钉和螺栓连接处的处理
Fig.1 Connection treatment of the rivets and
bolts
图2 车架有限元模型
Fig.2 Fin ite element model of the frame
1 2 边界条件
车架有限元模型中,确定车架前端约束点为前桥板簧中
心节点处,约束x 、y 、z 方向的平动自由度;确定车架后端约束点为后桥两端,约束y 、z 方向的平动自由度。

1 3 载荷和计算工况的确定
车辆满载时,作用于车架的载荷包括动力总成重量、驾驶室重量及来自上装的载荷。

计算时的车架载荷分布见图3,车架质量平均分配在各单元;驾驶室重量(750kg )和动力总成重量(1320kg)简化为集中载荷并分配在相应支承节点;上装的载荷(承载质量16500kg)通过货箱传递给车架上的6个支撑块和翻转轴。

根据自卸汽车的实际使用情况,对自卸汽车车架的强度分析需考虑弯曲工况、举升卸载工况和弯扭组合工况。

弯曲工况加载时,车辆的4个车轮在同一水平面;举升卸载工况下,载荷加在举升油缸与车架连接处及车厢翻转轴上,加载的力通过ADAMS 仿真分析软件建立的自卸汽车虚拟样机模型求解;弯扭组合工况指将车辆某一前轮、后轮抬起一定距离(150mm),其余车轮处于同一水平路面。

2 结果与讨论
2 1 静态计算结果及讨论
车架弯曲工况、举升卸载工况和弯扭组合工况的应力分布见图4。

弯曲工况下,最大应力(112MPa)位于第3根横梁与纵梁的连接部位(图4(a))。

举升卸载工况(举升角为0时)最大应力的出现位置与弯曲工况相同(图4(b)),但应力数值(175MPa)大于弯曲工况。

这是因为举升货箱时,第3根横梁与纵梁的连接处除承受车厢的均布载荷外,还承受举升油缸的反作用力。

弯扭组合工况下,前轮抬起时最大应力位于连接第2根横梁和纵梁的L 板处(图4(c)和5(a)),应力数值为289MPa;后轮抬起时最大应力位于平衡悬架推力杆支座与第4根横梁的连接部位(图4(d)和5(b)),应力数值为269MPa 。

这2个部位的应力数值虽小于横梁材料的屈服强度(360MPa),但考虑到行驶车辆的动载系数(通常为1 5),2个部位的最大应力分别达到433 5MPa 和403 5MPa,已大于横梁材料的屈服强度360MPa(但小于横梁材料的最小抗拉强度510MPa)。

若车辆超载行驶,
易发生车架横梁断裂现象。

图3 车架载荷示意图
Fig.3 Sketch map of the frame load
117
2008年12月 刘大维,等:重型自卸汽车车架横梁异常断裂原因分析 Dec,2008
由图6可以看出,有限元分析结果与实际使用中出现的
车架异常断裂情况吻合。

图4 不同工况下车架应力分布
Fig.4 Stres s distribution of the fram under different
cases
图5 弯扭组合工况车架断裂处应力分布Fig.5 Stress dis tribution of the frame abnormal rupture
under bending and torsion
case
图6 车架异常断裂的实际情况
Fig.6 Actual s ituation of the frame abnormal rupture
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Vol.8 No.6 安全与环境学报
第8卷第6期
2 2 模态计算结果及讨论
采用有限元模态分析得到的前4阶模态振型见图7。

第1阶为车架绕纵轴的一阶扭转振动,车架头部振幅较大,尾部振幅较小;第2阶为车架一阶横向弯曲振动,车架头部振幅较大,尾部振幅较小;第3阶为车架二阶横向弯曲振动,振幅较小;第4阶为一阶垂向弯曲振动,振幅较大。

可见,车架第2和4根横梁附近的振动较大,此处产生的较大交变应力易诱发车架横梁产生疲劳裂纹和断裂现象。

3 车架结构改进
为提高车架强度,减少和避免车架的断裂,对原车架进行改进设计。

将连接第2根横梁和纵梁的L板由原来的8mm 加厚至10m m,并将平衡悬架推力杆支座由整体式支撑改为分体式支撑(图8)。

改进后,弯扭组合工况下车架易发生断裂部位的应力分布见图9。

弯扭组合工况下,前轮抬起时最大应力仍位于连接第2根横梁和纵梁的L板处,但应力数值下降至230MPa (图9(a));后轮抬起时最大应力位于第4横梁与纵梁连接的上排铆钉处(图9(b)),应力数值为163MPa;而平衡悬架推力杆支座与第4根横梁的连接部位的应力下降至130MPa。

车架易发生断裂的2个部位的应力数值分别下降了20 4%和51 7%。

改进后,应力在推力杆支座处的分布较合理,同时实车行驶结果也证明了该结构改进的可行性。

4 结 论
建立了以板壳单元为基本单元的无副车架重型自卸汽车车架有限元分析模型,对车架进行了结构强度分析。

结果表明,车架断裂现象是由于连接第2根横梁和纵梁的L板处,以及平衡悬架推力杆支座与第4根横梁连接部位的应力值大于材料的屈服强度引起的。

有限元计算结果与实车车架断裂结果相吻合,这表明本研究所采取的建模方法和分析方法可行,可为车架结构的改进设计提供依据。

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图7 车架模态振型
Fig.7 Frame modality
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2008年12月 刘大维,等:重型自卸汽车车架横梁异常断裂原因分析 Dec,2008
图8 推力杆支座与第4横梁连接处照片(改进后)
Fig.8 Photo of distance rod saddle and the forth cross rail (
improved)
图9 弯扭组合工况下改进后车架应力分布Fig.9 Stress distribution of improved frame under bending
and torsion case
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LIU Da wei 1,C HEN Huan ming 1,LIU Wei1,XIA Kun 2
(1Automobile Engineering Department,Qingdao University,Qing dao 266071,Shandong,China;2Special Truck Company,China National Heavy Duty Truck Group Corp,Qingdao 266031,Shan dong ,China)
Abstract:This article aims to present our analysis over the causes
that are responsi ble for the rupture of the du mp truck frame as well as the FE A model established by us.In order to find out the reasons of the frame wi thou t assistant frame abnormal rupture,both the static analysis and the dynamic analysis were carried out by using the so called NAS TRAN FEAS software.The results of our analysi s indicate that the rup ture took place because the stress of the second cross rail experienced was bigger than the yield strength of the material under bending and torsion case,in addition to the stress experienced by the link plate and the saddle of equalizing type suspension rod with the fourth cross rail.If the above said situation remains true with the heavy vehicles at the overload transportation,it would be likely to cause the frame abnormal rupture.On the basis of calculati on we have worked out the causes of the frame abnormal rupture,which is in perfect conformi ty with the actual rupture case.Thus,it can be verified that,the finite elemen t model and analysis method are both credi ble and feasible to the transportation and traffic application.In ans wering to the demands of routine testing and measurement,we have also worked out the way for the reconstruction of the frame,which also proves effective by the reconstruction resul pared with the original structure,the strengthened second cross rail and the layout of the saddle of equalizing type suspension turned to be much more reasonable.Under bending and torsion case,the maximal s tress can be made to drop to 20 4%and 51 7%,respectively.Key words:safety simulation and safety emulation;du mp truck;
frame;abnormal rupture;fini te element analysis
C LC number:U461 91 Document code:A Article ID:1009 6094(2008)06 0116 05
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