基于轮胎六分力的某商用车车架疲劳分析

基于轮胎六分力的某商用车车架疲劳分析

刘俊; 张海剑; 王威; 刘亚军; 周福庚

【期刊名称】《《中国机械工程》》

【年(卷),期】2019(030)021

【总页数】7页(P2583-2589)

【关键词】车架; 刚柔耦合多体模型; 六分力; 载荷谱; 疲劳分析

【作者】刘俊; 张海剑; 王威; 刘亚军; 周福庚

【作者单位】合肥工业大学汽车与交通工程学院合肥 230009; 安徽江淮汽车股份有限公司合肥 230601

【正文语种】中文

【中图分类】U461.71; U467.11

0 引言

随着使用时间的延长，汽车的疲劳断裂问题也越来越容易发生，疲劳可靠性成为了评价汽车重要的指标。传统的疲劳分析[1-3]基本上是通过台架疲劳试验或者道路测试的方法来完成的，然而这些方法不仅费时费力，而且不能及时得到疲劳分析结果。随着CAE技术的发展，通过CAE软件进行疲劳仿真分析，能够实现短时间、少投入即可完成疲劳分析的目的，CAE方法也逐渐成为目前进行疲劳分析的主流方法。陈书聪[4]利用虚拟道路谱对汽车转向节进行疲劳分析，得到了转向节的疲劳寿命。张少辉[5]运用虚拟迭代的方法对某商用车驾驶室进行疲劳分析，预测结

果准确。黄元毅等[6]通过在某MPV车型上安装轮心六分力仪[7-8]得到实测载荷

谱[9]，对前副车架进行疲劳分析，预测结果精准。周炜等[10]对局部应力应变法

进行了详细的探索，并在实验中验证了该方法在应力应变疲劳分析中的优势。本文以某重型商用车车架为研究对象，在车辆的3个轴，即6个车轮上安装共6个六

分力仪，在定远试验场进行多种路况的试验，获得六分力信号。在ADAMS中建

立刚柔耦合[11-12]多体动力学模型，将六分力导入模型中，通过仿真获得车架与

钢板弹簧、减振器接附处的载荷谱。在HyperMesh中进行车架的有限元建模，

并通过惯性释放方法进行单位力作用下的静力分析。最后，在nCode中运用线性疲劳累计损伤理论和雨流计数法，并结合材料的应变(ε)-疲劳寿命(N)曲线进行车

架的应变疲劳寿命分析。

1 轮心六分力采集试验

由于车架与悬架接附处的载荷无法直接测得，故采用在定远试验场试验采集的轮心六分力与ADAMS刚柔耦合多体动力学模型相结合的方式，以轮心六分力作为输

入激励，通过多体动力学仿真获取车架接附处的载荷谱，并用获取的接附处载荷谱，进行应力应变疲劳分析。六分力仪安装位置如图1所示。

图1 六分力仪安装位置Fig.1 Six-dimensional force transducer installation location

为验证刚柔耦合多体动力学模型的准确性，在车架上共安装6处加速度传感器，

将试验中加速度传感器测得的加速度信号与仿真得到的该处加速度进行对比。加速度传感器分别安装在一轴后部、二轴前部、三轴后部，车架左右两侧均安装。加速度传感器安装如图2所示。数据采集系统选取HBM SoMat数据采集系统，如图

3所示。按照相关测试要求，此次试验采用全挂式挂车，满载40 t情况下进行测试，共在9种测试路面上进行测试，每种路面测试3次，全部路面长度之和为7 363 m，如表1所示。

六分力测试系统具有精度高、采集速度快的优点，能够采集轮心处沿X、Y、Z轴三个方向的力和绕X、Y、Z轴的力矩。然后将6个信号通过6个通道传送至数据采集系统。由于受各种外界因素影响，六分力仪采集到的信号不能直接使用，需要进行重采样、去零漂、去毛刺、去噪声、去尖峰值等处理。

图2 加速度传感器安装Fig.2 Acceleration sensor installtion location

图3 数据采集系统Fig.3 Data acquisition system表1 试验场测试路况Tab.1 Test road conditions in test field

序号路面操作说明长度(m)车速(km/h)1高速环路维持油门3 986952石块路维持油门1 789403砂石路维持油门594204长波路维持油门114405短波路维持油门72406卵石路(小)到达前升挡279407比利时路(甲)到达前制动260158搓板路加速,挡位维持最高挡174609鱼鳞坑到达前制动9540

某典型路况六分力系统采集的左前车轮六分力信号如图4所示。

2 建模及仿真

2.1 建立车架有限元模型

车架部分主要包括横梁、纵梁、前后悬架支座。横梁、纵梁等薄壁板件采用2D单元建模，单元属性为PSHELL。前后悬架支座等铸件采用四点四面体建模，单元属性为PSOLID。划分完成的车架有限元模型进行雅可比系数、翘曲角、最小尺寸、纵横比等网格质量检查，车架有限元模型如图5所示。将材料属性添加到有限元模型中，有限元模型与实际车架参数对比如表2所示。车架质量方面，有限元模型与实际质量相差38.257 kg,即3.87%，主要是由于有限元模型中没有螺栓、铆钉、控制线路和各种液压管道等部件。车架质心坐标方面，X、Y、Z三个方向的误差均不超过25 mm，误差较小。对比可知有限元建模精度较高。

图4 某典型路况六分力系统采集的载荷谱图Fig.4 Load spectrums of a typical road condition collected by six force system

图5 车架有限元模型Fig.5 Finite element model of frame表2 有限元模型与实际车架参数对比表Tab.2 Contrast of FEM parameter and rea l frame parameter

质量(kg)质心X坐标(mm)质心Y坐标(mm)质心Z坐标(mm)FEM模型数据

f1949.4542 104.8160.099-204.450企业实测数据f2987.7112 127.935-8.037-224.337|f2-f1|38.25723.1198.13619.887

2.2 应力分析

进行车架疲劳分析时，需要单位载荷下的应力分析结果，但由于车架没有固定的约束处，为了能得到与实际情况相符的分析结果，车架单位载荷下的应力分析使用惯性释放的方法。

惯性释放是指在对结构体进行静力分析时，为了求解器能够顺利计算和提高解算的准确度，对无固定点的研究构件进行约束的一种理论。惯性释放方法先计算运动构件在外力作用下的加速度，然后通过构件本身的一系列转动惯性力和平动惯性力来平衡构件所受的外部载荷，并构建一个自平衡力系，因此，惯性释放即是达朗贝尔原理在实际中的应用。惯性释放的数学表达式为

(1)

式中,F为节点外载荷矩阵；m为质量矩阵；为节点加速度矩阵。

悬架系统中钢板弹簧与车架的连接点、减振器与车架连接点受力较大，连接处作用力是汽车行驶过程中经悬架传递至车架的作用力，由于车架与悬架系统共存在8处连接，分别为：左侧减振器安装位置、右侧减振器安装位置、前钢板弹簧左侧前部位置、前钢板弹簧左侧后部位置、前钢板弹簧右侧前部位置、前钢板弹簧右侧后部位置、后钢板弹簧左侧安装位置、后钢板弹簧右侧安装位置，因此上述8个连接位置即作为单位载荷下的应力分析中单位力的加载点，所以分析结果中共有8