基于用户使用工况的某牵引车车架结构优化.pdf

ISStrSep.2023JOURNALOFMACHINE DESIGN2023年9 月No.9Vol.40第40 卷第9 期机计设械基于用户使用工况的某牵引车车架结构优化邹晔，沈保山，钟兵，游专，孙强1（1.无锡职业技术学院汽车与交通学院江苏省新能源汽车节能与电池安全工程研究中心，江苏无锡214121;2.山东交通学院汽车工程学院，山东济南250357)摘要：为解决车架二横梁失效问题，文中首先建立了车架及其强度计算有限元模型，并通过车架模态和应力测试验证了车架及其强度计算有限元模型的正确性；然后，根据用户实际使用工况对车架进行了非线性强度计算，明确了二横梁失效的主要原因及初步优化方案；最后，结合车架用户道路载荷谱及二横梁材料疲劳寿命曲线的测试结果，采用Criti-calPlane与Dirlik相结合的计算方法对改进方案进行了疲劳性能预测，并完成了用户道路试验。研究结果表明：不同用途及细分市场的车辆，有其自身预期的临界工况，计算工况与车辆实际使用工况接近是解决部件失效问题的关键，但根据用户使用工况及用途推荐相应定位产品的营销策略是避免部件失效问题的根本关键词：车架；用户工况；静强度；疲劳强度；结构优化中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 35 4(2 0 2 3)0 9-0 1 0 8-0 7uctural optimization of tractor frame based on user operating conditiorZOU Ye,SHEN Baoshan,ZHONG Bing,YOU Zhuan,SUN Qiang(1.Jiangsu Province New Energy Vehicle Energy Saving and Battery Safety Engineering Research Center,School of Automotive and Transportation,Wuxi Institute of Technology,Wuxi 214121;2.School of Automotive Engineering,Shandong Jiaotong University,Jinan 250357)Abstract:Since the frame s second beam suffers from failure,in this article firstly the finite-element models of both theframe and its strength calculation are set up;through the modal and stress tests on the frame,it is verified that the finite-elementmodels are correct.Then,efforts are made to calculate the frames nonlinear strength according to the user operating conditions;the main reasons for the failure suffered by the second beam are identified and the preliminary scheme of optimization is workedout.Finally,in combination with results obtained from the tests on the user road load spectrum of the frame and the fatigue-lifecurve of the second-beam materials,the fatigue performance of the improved scheme is predicted with the help of CriticalPlaneand Dirlik,and the user road test is completed.These results show that the vehicles with different uses and market segments havetheir own expected critical operating conditions;in order to solve the component failure,it is significant to calculate the operatingconditions close to the vehicles actual operating conditions.However,it is fundamental to recommend different marketing strate-gies according to user operating conditions and product uses,through which the component failure can be avoided.Key words:frame;user operating condition;static strength;fatigue strength;structural optimization货车车架连接着货车的各个部分，是整车各系统部件及运输货物的承载基本，对汽车的行驶和安全性能起着重要的作用。车架强度有限元分析是产品研发中预测车架设计优劣和优化车架结构的重要一环，也是产品质量改进的重要手段。其中，载荷定义又是强度计算的关键，直接决定着最终的分析结果及结论，*收稿日期：2 0 2 2-1 0-1 7；修订日期：2 0 2 3-0 3-1 8基金项目：江苏省产学研合作项目（BY2022826）；教授博士启动基金项目（1 0 49 31 2 1 0 1 8）1092023年9 月邹，等况的某牵引车车架结构优化基受到了广大学者的关注。文献2 阐述了动载系数的影响因素，并结合电动自卸车的使用工况对其车架进行了满载状态下的水平弯曲、极限扭转和紧急制动等工况下的强度计算；文献3 对矿用车车架满载状态下的弯扭复合、启动、转弯和紧急制动等4种典型工况进行了强度计算，得知了车架的最大应力位置，为车架优化设计提供了依据；文献4 对搅拌车副车架的弯曲、扭转、转弯和紧急制动等典型工况进行了强度分析,研究了搅拌罐贡献率对副车架强度的影响；文献5-7以重型卡车车架为研究对象，完成了车架满载状态下的弯曲扭转、制动与转弯等工况的强度分析，验证了该车架的强度性能；文献8 建立了整车刚柔耦合动力学模型，提取了车架在转弯、制动和上跳等工况下的载荷，并应用惯性释放法对其进行了强度计算，通过尺寸优化实现了车架的轻量化；文献9-1 0 以新能源货车车架为研究对象，通过整车刚柔耦合模型获得了车架满载弯曲、转向、制动、弯扭等工况的受力，并利用惯性释放法对车架强度进行了计算及结构优化；文献11对尺寸优化后的重卡车架进行了满载状态下的弯曲、扭转及弯扭等3种典型工况的分析,并以刚柔耦合整车模型在随机路面上的载荷谱作为输入，对车架进行了满载弯曲工况下的疲劳寿命预测，验证了轻量化车架的性能；文献1 2 以某重型商用车车架为研究对象，通过载荷测试与整车刚柔耦合动力学模型相结合的方法获得了定远试验场多路况下车架的载荷谱，并进行疲劳计算由以上研究可以看出，车架静强度分析计算工况通常都包含弯曲、扭转、紧急制动和转弯等典型工况，但其动载系数值不同。通常根据产品定位、企业经验进行选择，车架疲劳强度的载荷谱通常通过整车动力学模型或将其与试验场强化路面测试载荷相结合而获得。在这样的载荷作用下，基本能够反映出车架的强度，为车架研发工作提供支持。但是，当部分地区用户的使用工况超出设计预期而出现部件失效时，分析用户实际使用工况下车架的性能将显得十分重要。文中以某牵引车车架为研究对象，针对其二横梁失效问题，通过计算与测试结果进行对比，验证了车架有限元模型正确性后，完成了反映用户实际使用工况的车架静强度分析，明确了二横梁失效的主要原因，并对其进行了结构优化及理论和试验的验证，提升了其可靠性。1二横梁失效简介及车架强度计算1.1二横梁失效简介平衡悬架该牵引车车架结构如图1 所示，各主要部件使用材料如表1 所示，部分地区反馈的二横梁失效问题如图2 所示第1 横梁纵梁第2 横梁鞍座平衡悬架尾横梁图1车架结构图表1 车车架各主要部件使用材料零部件材质零部件材质纵梁700L平衡悬架QT500_7横梁610L其他Q345图2二横梁失效图在对二横梁制造质量及材料性能确认无问题后，对车架性能进行理论计算。1.2车架有限元模型的建立及准确度验证（1）车架有限元模型的建立在有限元模型中，元宝梁支座、防撞梁支座、平衡悬架等采用四面体单元；纵梁、横梁、横梁连接板、鞍座连接板等均采用壳单元；铆钉、螺栓等连接采用rbe2+beam单元，如图3所示图3车架总成有限元模型（2）车架有限元模型准确度验证为检验车架有限元模型的准确性，对车架进行了模态测试，如图4所示，并将测试结果与计算结果进行了对比，如表2 所示110第40 卷第9 期机计设械图4车车架自由模态测试表2 车车架自由模态测试与计算结果对比Hz频率值阶数振型试验计算17.317.04纵梁绕X轴1 阶扭转214.013.2纵梁Y向1 阶弯曲327.227.1纵梁前端局部模态427.927.2纵梁Y向2 阶弯曲528.829.3车架Z向1 阶弯曲638.337.5纵梁绕X轴2 阶扭转由表2 知，模态频率计算值与测试值的相对误差在3%以内，且振型相同，车架有限元模型建立正确1.3车架强度有限元模型的建立在车架有限元模型的基础上完成整车各部件模型的建立及连接，如图5 所示。驾驶室、动力总成、鞍载、燃油箱、电瓶、传动轴及各简化部件的配重均以集中质量点表示，且各集中质量点依其刚度性能通过rbe3或rbe2单元连接于车架或其支撑部件上；车桥、推力杆等采用beam梁单元；螺栓连接采用rbe2+beam单元；悬置软垫简化为bush弹簧单元，并赋予相应刚度。为提升计算结果的准确度,在鞍座与鞍座垫板、鞍座垫板与连接板、车架纵梁与横梁连接板、横梁连接板与横梁、纵梁与纵梁内板等部件间建立接触关系，摩擦因数为0.1 5。图5车架强度分析有限元模型1.4车架强度计算工况定义根据车架分析规范对各典型工况进行如下定义，如表3所示。表3典型工况定义加速度：约束（轮胎接地点）工况XYZ前左前右中左中右后左月后右垂向冲击00-2331,2,31,333转向0-0.3-12,331,2,332,33制动-0.60-12,331,2,31,32,33右前抬高00-1331,2,332,33右后抬高00-11,2,332,3333注：表中1,2,3分别代表X轴、Y轴、Z轴平移自由度1.5车架强度分析及应力测试(1）车架强度分析为检查模型质量，首先输出车辆静载时各轮胎约束点的支反力,并将其与实际轴荷进行对比。对比结果显示：轴荷相对误差在3%以内，车架强度计算有限元模型合理。使用Optistruct对各工况进行求解，二横梁应力云图如图6 所示，Coetbur PlofEkement Shreses(20&3DiavonMises,MaiyAnalyae systenSmpeAngtage9307E-01-8.274E-017242E-016.209E:+015.177E401A144E0120854011O4E-01（a）垂直冲击工况nalyeeystem141425125.735110.0468436678.66862.9774728731.59815.9080.219（b）转向工况ConfourPlotElement Stretses(C0&3DronMisesMan)AnalyainsystentSimpeAvenge48.42643.06137.69732.33226.96821:60316.23910.8745.5090.145（）制动工况1112023年9 月邹哗，等：基户使用工况的某牵引车车架结构优化CeintourPiotElement Siesses(20&3DonMses.Maa)Analyaissystem90.58780.56470.54160.51850.49540.47130.44820.42510.4024905870.379（d）右前抬高工况ContoutPletEimentSteasesQ0&30MronMieAnalyeis syutem131.472115.1099874582.38266.01949.65833.29316.9290.666LStatiMa（e）右后抬高工况图6各工况车架二横梁应力云图由以上云图可以看出，转向及右后抬高工况下的应力最大，分别为1 41.42 5 MPa和1 47.8 35 MPa，均远小于材料的屈服强度（5 5 0 MPa）。（2）车架应力测试分别对右前、右后抬高工况进行测试，A,B,C,D为测点，如图7 和图8 所示。ABCD（a）应变片整体布置（b）应变花局部布置图图7应变片布置图（a）右前抬高工况（b）右后高工况图：测试过程在二横梁A,B,C,D处及部分部件高应力处布置应变花，测量每个测点0，45，9 0 这3个方向上的线应变，进而根据第四强度理论求出各关键点的应力值1 3。二横梁应力测试与计算结果对比如表4所示。表4单轮抬高工况应力结果对比MPa右前抬高工况应力值右后抬高工况应力值测点计算值测试值计算值测试值A264.8243.3263.3238.7B141.3134.2116.1105.3C142.5136.3105.696.4D271.4244.8267.5238.9由表4可以看出，计算所得二横梁主要测点应力分布与测试结果较为一致,相对误差在1 2%以内,且应力计算值大于测试值。误差产生的主要原因为：实测过程中轮胎产生了弹性变形，而仿真计算时无法准确模拟轮胎的变刚度性能。2用户工况车架强度分析按照企业分析规范未能发现二横梁破坏原因，为此，实地考察了车辆的真实使用工况2.1用户实际工况简介为找出二横梁破坏的真正原因，对典型地区的车辆进行了跟踪，用户实际工况如图9 所示，主要表现为以下两大特征：（1)车辆挂车尺寸较大，超载现象比较严重；（2）地形多为丘陵，道路坡度较大，凸凹明显，道路条件比较恶劣。(a）超载情况(b）道路情况图9用户实际工况2.2用户实际工况强度计算依实际工况，对原强度分析模型进行了调整：（1）根据实际超载质量增大鞍载质量；（2）增加在30%坡道上的下坡制动工况；(3)增加对扭工况，两对角轮胎同时抬高，约束未抬高轮胎接地点的自由度。工况调整后二横梁应力计算结果如表5 所示。由表5 可以看出，对扭工况下二横梁的最大应力达到了695MPa，已超出了材料的屈服强度。超载对扭工况下二横梁应力分布及破坏实物对比图如图1 0 所示第40 卷第9 期112计机设械表5工况调整后二横梁最大应力MPa最大应力工况垂向极限下坡右前右后对扭冲击转向制动拾高抬高二横梁98164101145172695ContourPlotElementStresses(2D&3D)(vonMises,Max)Analysis systemSimplaAverage695.487500.000437.923375.845313.768251.690189.613127.53565.4583.381（a）对扭工况应力云图（b）二横梁失效实物图1 0对扭工况下应力分布及破坏实物对比由图1 0 可以看出，对扭工况下二横梁高应力区与其实物破坏区域高度吻合，且高应力区位于横梁连接孔及板材边缘，进一步增大了因加工质量问题导致部件失效的概率，剧烈的对扭工况是二横梁破坏的主要原因。3车架结构优化及静强度分析3.1结构优化经过多轮结构优化发现，如果保持该结构形式不变，仅通过改变横梁截面尺寸来优化刚度过渡，效果不明显。为此，文中对梁整体截面及安装方式进行了调整，如图1 1 所示，(a）方案1(b）方案2图1 1优化方案3.2结构强度分析按照前述工况定义，对方案1、方案2 进行了对扭工况的强度分析，其应力云图如图1 2 所示Arnalysis systemSimole Aoverage1.111E+035.500E+024.813E+024.125E+023.438E+022.750E+022.063E+021.375E+026.875E+013.041E-10Noresut(a）方案1Analysis systemSimpleAverage4.735E+024.209E+023.683E+023.157E+022.631E+022.104E+021.578E+021.052E+025.261E+013.113E-10(b）方案2图1 2对扭工况改进结构应力云图由应力云图可以看出，方案1 的最大应力已超出了材料的屈服强度；方案2 的最大应力为47 3.5 MPa，小于材料的屈服强度，改进效果明显。4车架疲劳寿命分析及试验实际工作中，车架承受着各种变化的载荷1 4-1 5 有纵向载荷、弯曲载荷、侧向载荷和扭转载荷等，其中，动态扭转载荷是引起车架疲劳破坏的主要载荷形式1 6 。横梁作为车架的重要部件，将左、右纵梁连成一个整体，主要承受变化着的扭矩，存在较大的疲劳破坏隐患，因此需对其疲劳耐久性能进行进一步研究。4.1疲劳载荷测试（1）传感器标定及布置考虑到路面载荷主要通过前后悬架传递到车架，故文中首先对板簧及各推力杆进行标定。为了抵消弯曲，放大拉压信号，推力杆上采用泊松比全桥传感器，其桥路示意图及推力杆实物分别如图1 3和图1 4所示。静载试验机上直推杆和V推杆的标定如图1 5 所示，由此得到应变与推力的关系方程。通过位移传感器测定板簧变形量，从而获得板簧对车架的力，其传感器布置如图1 6 所示。1132023年9 月邹哗，等：基于用月户使用工况的某牵引车车架结构优化eR,R图1 3桥路示意图图1 4推力杆实物图（a）直推杆标定（b）V推杆标定图1 5推力杆标定过程（a）前板簧布置（b）后板簧布置图1 6前、后板簧位移传感器布置2）车架载荷谱测试对用户不同路面的载荷进行了测试，包括斜坡路、坑凹路、县道、省道等路面，并将这些路面反映出的典型载荷按加权比例重组，部分测试结果如图1 7 所示。40.263.41340.484.612040 80120160200240280320360400440480520560600640时间t/s图1 7推力杆连接点载荷-时间历程4.2二横梁材料疲劳性能测试为提升疲劳寿命预测的准确度,文中按GB/T3075一2 0 0 8 制备疲劳试样，如图1 8 所示。采用升降法进行材料疲劳试验，并基于N-Code软件绘制不同失效概率下的S-N疲劳寿命曲线。5 0%存活率下的S-N拟合曲线及试件典型疲劳断裂位置如图1 9 所示。(a）疲劳样件（b）I n s t r o n 疲劳试验机图1 8材料S-N曲线测试过程1000010001001110211041106110811010110/2循环次数/次（a）S-N曲线测试结果（b）疲劳断裂位置示意图1 9S-N曲线测试结果4.3疲劳寿命计算采用N-Code软件建立如图2 0 所示的分析模型，对车架疲劳寿命进行计算39451e口显示图2 0疲劳分析模型具体建模过程如下：(1)在前、后板簧座及推力杆连接点处沿X,Y,Z方向分别施加1 kN的力，并采用惯性释放法对其进行强度计算；(2)将前后板簧位移及各推力杆应变测试曲线结果转化为力曲线，作为疲劳计算的外载荷谱；(3)结合试验获得的材料S-N曲线测试结果，采用goodman平均应力修正及CriticalPlane法与Dirlik法相结合的计算方法，进行疲劳寿命计算。计算得到的二横梁疲劳寿命云图如图2 1 所示。由图2 1 可以看出，改进后横梁的疲劳寿命较改进前有明显提升。如对该横梁继续加强,将影响横梁连接板、纵梁等部件的寿命，需对该车架进行整体优化。114机计设械第40 卷第9 期Life(Repeats)NoDataBeyond Cutoff2.657e+0061.317e+0066.7800+0053.491e+0061.798e+0059.258e+0044.767e+0042.455e+0041.264e+0046.509e+003Nax=Beyond CutoffAtNode50299691Min=6509AtNode20204182(a）改进前Life(Repeats)NoDataBeyond Cutof3.095e+0061.971e+0061.256e+0068.000e+0055.0960+0053.246e+0052.068e+0051.317e+0058.392e+0045.346e+004Max=Beyond CutoffAtNode26236179Min=5.346E4AtNode26236171(b)改进后图2 1二横梁疲劳寿命云图4.4疲劳性能试验及处理措施为了验证改进方案的真实效果，对该区域出现横梁损坏的1 0 台车辆更换了新横梁组件，1 年内未出现二横梁损坏问题对于此类利用标载或轻量化产品进行超载、极坏路面运输的情况，此改进二横梁的措施仅仅是一种对于已售产品的应急措施，随着车辆使用时间的延长，势必会造成其他部件不堪重负产生破坏。所以，为了使产品更好地满足用户需要，除了在产品开发中对细分市场准确定位外，还需在产品销售时充分了解用户使用情况，推荐相应定位产品，避免该类问题的出现。5结论(1)通过模态测试及单轮抬高工况的应力测试，验证了车架有限元模型及车架强度计算有限元模型的准确度,为明确二横梁破坏原因奠定了基础。（2）根据用户实际使用工况，修正了本车型的车架结构，确定了二横梁破坏的主要原因，并提出了两种优化改进方案（3）对板簧及推力杆进行标定，并通过试验测试了典型用户工况下的载荷谱及二横梁材料的S-N曲线，提升了疲劳计算结果的可信度。（4)通过静强度分析、疲劳强度分析及整车用户试验，验证了该优化方案的可行性，并就此类利用标载产品进行坏路、超载运输的情况提出了改进措施。参考文献1申晋宪，王铁.汽车设计M.北京：中国标准出版社,2 0 1 3.2米承继，李文泰，倪正顺，等电动轮自卸车车架静动态特性分析与优化研究J.机械强度,2 0 2 0,42（3）：6 39-6 47.3杨文志，闵全金混合动力矿用车车架强度分析J煤炭技术,2 0 1 9,38(2)：1 2 6-1 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