摩托车车架系统疲劳强度分析及寿命预估
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2007年 (第 29卷 )第 10期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2007 (Vol. 29) No. 10
2007209
摩托车车架系统疲劳强度分析及寿命预估 3
朱才朝 1 ,张伟敏 1 ,乔 莉 1 ,李旭东 2
(11重庆大学 ,机械传动国家重点实验室 ,重庆 400030; 21中国嘉陵工业股份有限公司 (集团 ) ,重庆 630707)
σ -
1DN
,
把寿命
N
代入
零件 S —N 曲线或零件理想化 S —N 曲线表达式求
出
σ -
1DN
, 即可用式
( 1)进行疲劳强度评价 。当工作
安全系数 n≥[ n ]时 [4 ] ,零件在规定的寿命期内能够
安全使用 , [ n ]为许用安全系数 。
σ
n=
- 1DN
σ
≥[
n
]
(1)
a
21112 疲劳寿命估算
11Chongqing U n iversity, S tate Key L ab of M echan ica l Transm ission, Chongqing 400030; 21Ch ina J ialing Industrial Co. , L td, Chongqing 630707
代入零件
S一
N 曲线表达式或零件理想
化 S 一 N 曲线表达式 ,即可求出疲劳寿命 N , N 也称
安全寿命 。
212 非对称循环载荷下的有限寿命疲劳设计
在非对称循环载荷下 ,不但需要零件的 S —N
曲线 ,还需要零件的 Goodman图 。
21211 零件 Goodman图
如图
2 ( a)所示
,在以平均应力
在参照欧洲疲劳试验机的基础上 ,结合我国实 际情况 ,采用程序加载方式 ,通过对摩托车车架系统 在水平 、垂直和座垫方向加载的方式模拟摩托车通 过凸凹路面时给车架的冲击激励 :水平方向加载试 验模拟摩托车在行驶的过程中遇到上台阶或凸台的 情况 ;垂直方向加载试验模拟摩托车在行驶过程中 遇到下台阶或者凹坑的情况 ;座垫方向加载试验模 拟人在座垫上对车架的作用 。
摩托车在实际行驶过程中车架承载全车的重力 以及来自不平路面的各种冲击载荷 ,由于前后轮之 间的轴距 ,车架经过凸台或凹坑时前后车轮受到来 自路面的随机冲击载荷不在同一时刻发生 ,因此通 过 3个方向的加载疲劳试验 ,可以分别考察车架水 平 、垂直及座垫方向的疲劳强度和寿命 。车架疲劳 强度试验机由机械系统 、控制系统 、动力源系统以及 执行机构 4部分组成 。针对不同型号的摩托车车架
当给定零件尺寸及其工作应力时 ,根据求出的
零件 S —N 曲线或零件理想化 S - N 曲线 , 再用与无
限寿命设计相同的方法确定出许用安全系数 [ n ],
· 902 ·
汽 车 工 程
2007年 (第 29卷 )第 10期
按式
( 2)计算出计算应力
σ g
。
σ g
= [ n ]σa
(2)
将
σ g
σσ
b - 1DN
n =σσ ba
+σ-
σ
1DN m
(5)
当工作安全系数 n≥[ n ]时 ,零件在指定的寿命
期内能够安全使用 [ 4 - 5 ] 。
213 有限元疲劳寿命分析方法
MSC. FATIGUE是结构疲劳寿命分析的大型软
件包 ,具有总寿命或名义应力寿命分析 (包括焊接
结构分析 ) 、裂纹初始化或应变寿命分析 、基于线弹
Keywords: M otorcycle; Fram e; Fa tigue mach ine; Fa tigue strength; L ife pred iction
前言
摩托车车架主要损坏形式是疲劳破坏 ,一般先 在局部区域产生裂纹 ,然后裂纹扩展导致断裂 ,给人 身安全带来严重威胁 。疲劳强度及寿命预估是评价 摩托车可靠性的重要因素之一 ,疲劳试验是评价车 架疲劳强度的主要方法 ,通过对摩托车车架系统结 构进行疲劳强度分析及寿命预估 ,不但可以对现行 摩托车剩余寿命进行评估 ,还能有效地指导新型摩 托车的开发设计 ,具有十分重要的理论意义和实用 价值 。
σ m
为横坐标 、应
力幅
σ a
为纵坐标的疲劳极限图
σ a
—σm
中
, 纵轴上
的
σ -
1N与横轴上的
σ b
相连
,即可得出材料的
Good2
m
an图
,其中
σ -
1N为材料的条件疲劳极限
,
σ b
为静
载的强度极限 。将图
2
(
a
)
中
材
料的
σ -
1N
换为零件
的
σ -
1DN
,即可得出图
2 ( b)所示的零件
Goodm an
命线
。其中
σ m
g为非对
称载荷下
的平均
应
力
;
σag为
非对称载荷下的应力幅 ;σqg为用 Goodm an图得出的
非对称循环载荷下的当量应力幅 ,其疲劳寿命 N 即
可根据 σqg从零件 S —N 曲线上查出 , 或 σqg代入零
件
S —N 曲线表达式计算出疲劳寿命
N
,
而
σ 即为 qg
疲劳寿命
N
时的零件条件疲Biblioteka Baidu极限
性断裂力学 LEFM 的裂纹扩展寿命分析等功能 。在
进行疲劳分析时需要提供材料的疲劳属性 、载荷的
信息以及结构的几何特征 [ 6 ]等基本信息 。
3 摩托车车架系统疲劳强度分析及寿 命预估
图 2 非对称循环载荷下有限寿命疲劳设计
311 摩托车车架系统实体建模 摩托车车架结构非常复杂 ,其构成包括蓄电池
图 ,利用零件
Goodman 图 ,即可按式
(
3
)由
σ -
1DN
、
σ a
、σm
中的任二者求出第三者
[4
-
5]
。
σ
σ a
=σ- 1DN
m
1 -σ
(3)
b
21212 疲劳寿命估算及疲劳强度评价
如图
2 (c)所示
,将点
Q
(σm
g
,
σ ag
)与静载破坏
点 B 相连 ,并将其延长交纵轴于 C, 则 B C 即为等寿
对摩托车车架系统进行疲劳强度分析 ,采用壳 单元划分有限元网格 ,应用 HyperM esh软件建立有 限元分析模型 ,共有 23 466个节点 , 23 721个单元 ,
2007 (Vol. 29) No. 10
[ Abstract] In view of that the fatigue of motorcycle fram e is characterized by mechanical high cycle variable amp litude fatigue, a new method of safe life design is p roposed to analyze the fatigue p roblem s in motorcycle frame. A finite element model for motorcycle fram e is built and its fatigue strengths under different conditions are calculat2 ed, and based on which its fatigue life is evaluated. The result is verified by the test on fatigue machine. This p ro2 vides a theoretical base for fatigue strength analysis and life p rediction for motorcycle frame.
图 1 车架疲劳试验机
各方向施加的载荷大小 、周期及车架疲劳寿命见文 献 [ 3 ]。
2 循环载荷下有限寿命疲劳设计
211 对称循环载荷下有限寿命疲劳设计
21111 疲劳强度评价
在给定使用寿命
N
和工
作应力
σ a
时 , 根据使
用寿命 N 在零件 S —N 曲线或零件理想化 S —N 曲
线上找到相应条件疲劳极限
σ -
1DN
。由几何
关系 ,σqg可用式 ( 4)计算 。
σσ
σ qg
ag b
=σ b
-
σ m
g
(4)
当应力比保持不变时在零件的 Goodman图上 ,
作出与寿命 N 相应的等寿命线 , 并由原点 O 向工作
点 A (σm ,σa )连直线 , 交等寿命线于 Q, 则安全系数
n =QO /AO。由几何关系可以得出
当摩托车在行驶过程中遇到上台阶或凸台时 , 前轮首先受到来自路面的冲击 ,前轮受到的冲击力 F可以分解为水平方向的分力 F0 和垂直方向的分 力 FV , FV 大部分被轮胎和减振等缓冲体所吸收 , 因 此作用在车架上的力可以简化为水平方向的拉力 F0 ,在疲劳试验中通过施加水平方向的周期载荷激 励模拟经过上台阶或凸台时车架受到的冲击 ,载荷 及安装如图 1 ( a)所示 ;当摩托车行驶过程中遇到下 台阶或者凹坑时 ,后轮首先受到来自路面垂直向上 的冲击 FV ,该冲击力不能完全被轮胎和减振等缓冲 体所吸收 ,没有被吸收的 FV 就作用在车架上 ,在疲 劳试验中通过施加垂直上拉的周期载荷激励模拟经 过下台阶或凹坑时车架受到的冲击 ,冲击载荷及安 装方式如图 1 ( b)所示 ;摩托车行驶过程中还应该考 虑到驾驶员及乘客对车架疲劳强度的影响 ,在疲劳 试验中可以施加垂直下压周期载荷激励模拟人在座 垫上对车架的作用 ,座垫方向的载荷及安装方式如 图 1 ( c)所示 。
摩托车车架系统承载全车和载荷的质量 ,以及 摩托车在不平路面行驶时产生的冲击和振动载荷 , 其疲劳破坏形式属机械疲劳破坏 。同时摩托车车架 系统受到冲击和振动载荷都是随机的 ,在其结构内
产生的交变应力也是随机的 ,没有固定的应力幅度 和频率 ,因而属于机械随机疲劳 。在设计摩托车车 架系统时 ,出于安全考虑 ,一般其设计名义应力都远 小于材料的屈服极限 ,其使用寿命也要求较长 ,因此 摩托车车架系统的疲劳属于高周疲劳 [ 1 - 2 ] 。但在实 际过程中很难模拟随机路面的激励 ,摩托车车架疲 劳试验机是在摩托车车架水平方向和垂直方向 ,施 加对称或非对称循环激励载荷来模拟摩托车通过凸 凹路面时给车架的冲击激励 [ 3 ] 。根据疲劳累计损 伤原理 、国内外摩托车行驶的自身特点以及摩托车 车架系统的疲劳类型 ———机械高周疲劳 ,建立了基 于车架结构 、材料疲劳属性和变幅载荷谱下摩托车 车架及悬挂系统可靠性疲劳寿命预测模型 。对某摩 托车车架系统疲劳强度和疲劳寿命进行了预估 ,并 在车架疲劳试验机上进行试验验证 ,为车架疲劳强 度分析及寿命预估提供了理论依据 。
3 新世纪优秀人才支持计划 (NCET - 05 - 0766)资助 。 原稿收到日期为 2006年 10月 23日 ,修改稿收到日期为 2006年 12月 22日 。
2007 (Vol. 29) No. 10
朱才朝 ,等 :摩托车车架系统疲劳强度分析及寿命预估
· 901 ·
1 疲劳试验机的研制
对摩托车车架强度的考核主要通过整车的道路 试验完成 ,因路试试验的条件 、环境等因素使其与疲 劳试验机相比开发周期延长 ,试验成本高且安全性 差 。因此开发针对我国摩托车实际情况的疲劳试验 机 ,制定相关试验规范和试验标准 ,以代替产品开发 初期的路试试验 ,具有十分重要的实际意义和经济 效益 。
关键词 :摩托车 ;车架 ;疲劳试验机 ;疲劳强度 ;寿命预估
Fatigue Strength Analysis and L ife Prediction for Motorcycle Frame
Zhu Ca ichao1 , Zhang W e im in1 , Q iao L i1 & L i Xudong2
支承 、消声器支承 、侧支架座及摇臂等 ,在行驶的过 程中 ,车架所受载荷种类较多 ,在建立有限元模型时 需要对摩托车车架进行必要简化 ,考虑主要因素 ,忽 略其次要因素 ,建立既有利于有限元分析计算 ,又能 较真实反映摩托车车架实际工作情况的有限元分析 模型 。采用 Pro / E分别建立某摩托车车架 、悬挂及 后叉实体几何模型 ,并进行了虚拟装配 。 312 摩托车车架系统疲劳寿命分析
[摘要 ] 对疲劳强度理论进行分析 ,结合摩托车车架系统的疲劳类型为机械高周变幅疲劳的特点 ,提出采用 安全寿命设计方法分析摩托车车架系统疲劳问题的研究思路 。建立了与疲劳试验机试验工况相对应的摩托车车 架系统有限元分析模型 ,对摩托车车架系统疲劳强度进行了计算 ,在此基础上对该车架系统的疲劳寿命进行了预 估 ,车架疲劳试验机上试验结果验证了理论分析的正确性 ,为车架疲劳强度分析及寿命预估提供了理论依据 。
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2007 (Vol. 29) No. 10
2007209
摩托车车架系统疲劳强度分析及寿命预估 3
朱才朝 1 ,张伟敏 1 ,乔 莉 1 ,李旭东 2
(11重庆大学 ,机械传动国家重点实验室 ,重庆 400030; 21中国嘉陵工业股份有限公司 (集团 ) ,重庆 630707)
σ -
1DN
,
把寿命
N
代入
零件 S —N 曲线或零件理想化 S —N 曲线表达式求
出
σ -
1DN
, 即可用式
( 1)进行疲劳强度评价 。当工作
安全系数 n≥[ n ]时 [4 ] ,零件在规定的寿命期内能够
安全使用 , [ n ]为许用安全系数 。
σ
n=
- 1DN
σ
≥[
n
]
(1)
a
21112 疲劳寿命估算
11Chongqing U n iversity, S tate Key L ab of M echan ica l Transm ission, Chongqing 400030; 21Ch ina J ialing Industrial Co. , L td, Chongqing 630707
代入零件
S一
N 曲线表达式或零件理想
化 S 一 N 曲线表达式 ,即可求出疲劳寿命 N , N 也称
安全寿命 。
212 非对称循环载荷下的有限寿命疲劳设计
在非对称循环载荷下 ,不但需要零件的 S —N
曲线 ,还需要零件的 Goodman图 。
21211 零件 Goodman图
如图
2 ( a)所示
,在以平均应力
在参照欧洲疲劳试验机的基础上 ,结合我国实 际情况 ,采用程序加载方式 ,通过对摩托车车架系统 在水平 、垂直和座垫方向加载的方式模拟摩托车通 过凸凹路面时给车架的冲击激励 :水平方向加载试 验模拟摩托车在行驶的过程中遇到上台阶或凸台的 情况 ;垂直方向加载试验模拟摩托车在行驶过程中 遇到下台阶或者凹坑的情况 ;座垫方向加载试验模 拟人在座垫上对车架的作用 。
摩托车在实际行驶过程中车架承载全车的重力 以及来自不平路面的各种冲击载荷 ,由于前后轮之 间的轴距 ,车架经过凸台或凹坑时前后车轮受到来 自路面的随机冲击载荷不在同一时刻发生 ,因此通 过 3个方向的加载疲劳试验 ,可以分别考察车架水 平 、垂直及座垫方向的疲劳强度和寿命 。车架疲劳 强度试验机由机械系统 、控制系统 、动力源系统以及 执行机构 4部分组成 。针对不同型号的摩托车车架
当给定零件尺寸及其工作应力时 ,根据求出的
零件 S —N 曲线或零件理想化 S - N 曲线 , 再用与无
限寿命设计相同的方法确定出许用安全系数 [ n ],
· 902 ·
汽 车 工 程
2007年 (第 29卷 )第 10期
按式
( 2)计算出计算应力
σ g
。
σ g
= [ n ]σa
(2)
将
σ g
σσ
b - 1DN
n =σσ ba
+σ-
σ
1DN m
(5)
当工作安全系数 n≥[ n ]时 ,零件在指定的寿命
期内能够安全使用 [ 4 - 5 ] 。
213 有限元疲劳寿命分析方法
MSC. FATIGUE是结构疲劳寿命分析的大型软
件包 ,具有总寿命或名义应力寿命分析 (包括焊接
结构分析 ) 、裂纹初始化或应变寿命分析 、基于线弹
Keywords: M otorcycle; Fram e; Fa tigue mach ine; Fa tigue strength; L ife pred iction
前言
摩托车车架主要损坏形式是疲劳破坏 ,一般先 在局部区域产生裂纹 ,然后裂纹扩展导致断裂 ,给人 身安全带来严重威胁 。疲劳强度及寿命预估是评价 摩托车可靠性的重要因素之一 ,疲劳试验是评价车 架疲劳强度的主要方法 ,通过对摩托车车架系统结 构进行疲劳强度分析及寿命预估 ,不但可以对现行 摩托车剩余寿命进行评估 ,还能有效地指导新型摩 托车的开发设计 ,具有十分重要的理论意义和实用 价值 。
σ m
为横坐标 、应
力幅
σ a
为纵坐标的疲劳极限图
σ a
—σm
中
, 纵轴上
的
σ -
1N与横轴上的
σ b
相连
,即可得出材料的
Good2
m
an图
,其中
σ -
1N为材料的条件疲劳极限
,
σ b
为静
载的强度极限 。将图
2
(
a
)
中
材
料的
σ -
1N
换为零件
的
σ -
1DN
,即可得出图
2 ( b)所示的零件
Goodm an
命线
。其中
σ m
g为非对
称载荷下
的平均
应
力
;
σag为
非对称载荷下的应力幅 ;σqg为用 Goodm an图得出的
非对称循环载荷下的当量应力幅 ,其疲劳寿命 N 即
可根据 σqg从零件 S —N 曲线上查出 , 或 σqg代入零
件
S —N 曲线表达式计算出疲劳寿命
N
,
而
σ 即为 qg
疲劳寿命
N
时的零件条件疲Biblioteka Baidu极限
性断裂力学 LEFM 的裂纹扩展寿命分析等功能 。在
进行疲劳分析时需要提供材料的疲劳属性 、载荷的
信息以及结构的几何特征 [ 6 ]等基本信息 。
3 摩托车车架系统疲劳强度分析及寿 命预估
图 2 非对称循环载荷下有限寿命疲劳设计
311 摩托车车架系统实体建模 摩托车车架结构非常复杂 ,其构成包括蓄电池
图 ,利用零件
Goodman 图 ,即可按式
(
3
)由
σ -
1DN
、
σ a
、σm
中的任二者求出第三者
[4
-
5]
。
σ
σ a
=σ- 1DN
m
1 -σ
(3)
b
21212 疲劳寿命估算及疲劳强度评价
如图
2 (c)所示
,将点
Q
(σm
g
,
σ ag
)与静载破坏
点 B 相连 ,并将其延长交纵轴于 C, 则 B C 即为等寿
对摩托车车架系统进行疲劳强度分析 ,采用壳 单元划分有限元网格 ,应用 HyperM esh软件建立有 限元分析模型 ,共有 23 466个节点 , 23 721个单元 ,
2007 (Vol. 29) No. 10
[ Abstract] In view of that the fatigue of motorcycle fram e is characterized by mechanical high cycle variable amp litude fatigue, a new method of safe life design is p roposed to analyze the fatigue p roblem s in motorcycle frame. A finite element model for motorcycle fram e is built and its fatigue strengths under different conditions are calculat2 ed, and based on which its fatigue life is evaluated. The result is verified by the test on fatigue machine. This p ro2 vides a theoretical base for fatigue strength analysis and life p rediction for motorcycle frame.
图 1 车架疲劳试验机
各方向施加的载荷大小 、周期及车架疲劳寿命见文 献 [ 3 ]。
2 循环载荷下有限寿命疲劳设计
211 对称循环载荷下有限寿命疲劳设计
21111 疲劳强度评价
在给定使用寿命
N
和工
作应力
σ a
时 , 根据使
用寿命 N 在零件 S —N 曲线或零件理想化 S —N 曲
线上找到相应条件疲劳极限
σ -
1DN
。由几何
关系 ,σqg可用式 ( 4)计算 。
σσ
σ qg
ag b
=σ b
-
σ m
g
(4)
当应力比保持不变时在零件的 Goodman图上 ,
作出与寿命 N 相应的等寿命线 , 并由原点 O 向工作
点 A (σm ,σa )连直线 , 交等寿命线于 Q, 则安全系数
n =QO /AO。由几何关系可以得出
当摩托车在行驶过程中遇到上台阶或凸台时 , 前轮首先受到来自路面的冲击 ,前轮受到的冲击力 F可以分解为水平方向的分力 F0 和垂直方向的分 力 FV , FV 大部分被轮胎和减振等缓冲体所吸收 , 因 此作用在车架上的力可以简化为水平方向的拉力 F0 ,在疲劳试验中通过施加水平方向的周期载荷激 励模拟经过上台阶或凸台时车架受到的冲击 ,载荷 及安装如图 1 ( a)所示 ;当摩托车行驶过程中遇到下 台阶或者凹坑时 ,后轮首先受到来自路面垂直向上 的冲击 FV ,该冲击力不能完全被轮胎和减振等缓冲 体所吸收 ,没有被吸收的 FV 就作用在车架上 ,在疲 劳试验中通过施加垂直上拉的周期载荷激励模拟经 过下台阶或凹坑时车架受到的冲击 ,冲击载荷及安 装方式如图 1 ( b)所示 ;摩托车行驶过程中还应该考 虑到驾驶员及乘客对车架疲劳强度的影响 ,在疲劳 试验中可以施加垂直下压周期载荷激励模拟人在座 垫上对车架的作用 ,座垫方向的载荷及安装方式如 图 1 ( c)所示 。
摩托车车架系统承载全车和载荷的质量 ,以及 摩托车在不平路面行驶时产生的冲击和振动载荷 , 其疲劳破坏形式属机械疲劳破坏 。同时摩托车车架 系统受到冲击和振动载荷都是随机的 ,在其结构内
产生的交变应力也是随机的 ,没有固定的应力幅度 和频率 ,因而属于机械随机疲劳 。在设计摩托车车 架系统时 ,出于安全考虑 ,一般其设计名义应力都远 小于材料的屈服极限 ,其使用寿命也要求较长 ,因此 摩托车车架系统的疲劳属于高周疲劳 [ 1 - 2 ] 。但在实 际过程中很难模拟随机路面的激励 ,摩托车车架疲 劳试验机是在摩托车车架水平方向和垂直方向 ,施 加对称或非对称循环激励载荷来模拟摩托车通过凸 凹路面时给车架的冲击激励 [ 3 ] 。根据疲劳累计损 伤原理 、国内外摩托车行驶的自身特点以及摩托车 车架系统的疲劳类型 ———机械高周疲劳 ,建立了基 于车架结构 、材料疲劳属性和变幅载荷谱下摩托车 车架及悬挂系统可靠性疲劳寿命预测模型 。对某摩 托车车架系统疲劳强度和疲劳寿命进行了预估 ,并 在车架疲劳试验机上进行试验验证 ,为车架疲劳强 度分析及寿命预估提供了理论依据 。
3 新世纪优秀人才支持计划 (NCET - 05 - 0766)资助 。 原稿收到日期为 2006年 10月 23日 ,修改稿收到日期为 2006年 12月 22日 。
2007 (Vol. 29) No. 10
朱才朝 ,等 :摩托车车架系统疲劳强度分析及寿命预估
· 901 ·
1 疲劳试验机的研制
对摩托车车架强度的考核主要通过整车的道路 试验完成 ,因路试试验的条件 、环境等因素使其与疲 劳试验机相比开发周期延长 ,试验成本高且安全性 差 。因此开发针对我国摩托车实际情况的疲劳试验 机 ,制定相关试验规范和试验标准 ,以代替产品开发 初期的路试试验 ,具有十分重要的实际意义和经济 效益 。
关键词 :摩托车 ;车架 ;疲劳试验机 ;疲劳强度 ;寿命预估
Fatigue Strength Analysis and L ife Prediction for Motorcycle Frame
Zhu Ca ichao1 , Zhang W e im in1 , Q iao L i1 & L i Xudong2
支承 、消声器支承 、侧支架座及摇臂等 ,在行驶的过 程中 ,车架所受载荷种类较多 ,在建立有限元模型时 需要对摩托车车架进行必要简化 ,考虑主要因素 ,忽 略其次要因素 ,建立既有利于有限元分析计算 ,又能 较真实反映摩托车车架实际工作情况的有限元分析 模型 。采用 Pro / E分别建立某摩托车车架 、悬挂及 后叉实体几何模型 ,并进行了虚拟装配 。 312 摩托车车架系统疲劳寿命分析
[摘要 ] 对疲劳强度理论进行分析 ,结合摩托车车架系统的疲劳类型为机械高周变幅疲劳的特点 ,提出采用 安全寿命设计方法分析摩托车车架系统疲劳问题的研究思路 。建立了与疲劳试验机试验工况相对应的摩托车车 架系统有限元分析模型 ,对摩托车车架系统疲劳强度进行了计算 ,在此基础上对该车架系统的疲劳寿命进行了预 估 ,车架疲劳试验机上试验结果验证了理论分析的正确性 ,为车架疲劳强度分析及寿命预估提供了理论依据 。