中文--利用重型載貨汽車的有限元應(yīng)力分析的初步數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其疲勞壽命

1、<p><b>　　中文4174字</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　　外文資料翻譯</b></p><p>　　翻譯資料名稱(外文)Stress analysis of heavy duty truck chassis as a preliminary data for

2、 its fatigue life prediction using FEM</p><p>　　翻譯資料名稱(中文) 利用重型載貨汽車的有限元應(yīng)力分析的初步數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其疲勞壽命</p><p>　　院 （系）： 汽車與交通工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化（汽車設(shè)計(jì)方向）</p><p>

3、　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： 2012/5/31

4、 </p><p>　　出處：Jurnal Mekanikal, 2008 (26): 76-85</p><p>　　利用重型載貨汽車的有限元應(yīng)力分析的初步數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)其疲勞壽命</p><p>　　Roslan Abd Rahman, Mohd Nasir Tamin, Ojo Kurdi</p><p>　　馬來(lái)西亞工程大

5、學(xué)機(jī)械工程系81310 UTM, Skudai,</p><p>　　Johor Bahru</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文對(duì)一重型貨車底盤做了應(yīng)力分析。應(yīng)力分析能夠確定零件的最大受力點(diǎn)，是分析零部件疲勞研究和壽命預(yù)測(cè)的重要手段。前人已有用商用有限元軟件ABAQUS軟件對(duì)底盤模型進(jìn)行分析的。本次研究的底盤長(zhǎng)1

6、2.35米，寬2.45米，材料是ASTM低合金鋼710（3級(jí)），屈服極限552MPa，抗拉強(qiáng)度620MPa。分析結(jié)果顯示，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在底盤與螺栓連接的空缺處，最大應(yīng)力為386.9MPa，底盤的疲勞破壞將會(huì)從最大應(yīng)力點(diǎn)開始向車架各部位蔓延。</p><p>　　關(guān)鍵字：應(yīng)力分析，疲勞壽命預(yù)測(cè)，貨車底盤</p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p>

7、<p>　　在馬來(lái)西亞，很多貨車的車架壽命都有20多年，20多年架就會(huì)有使用安全的問題。因此，為了確保底盤在工作期間的安全性能，就有必要對(duì)底盤作疲勞研究和壽命預(yù)測(cè)。利用有限元法作應(yīng)力分析能夠確定受最大應(yīng)力的關(guān)鍵點(diǎn)，這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是導(dǎo)致底盤疲勞損傷的因素之一。應(yīng)力的大小能夠預(yù)測(cè)底盤的壽命，所以可以根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果精確地預(yù)測(cè)底盤的壽命，應(yīng)力分析越精確，底盤壽命預(yù)測(cè)的越合理。本文是用商用有限元軟件ABAQUS軟件完成底盤應(yīng)力分析的。&

8、lt;/p><p>　　汽車工業(yè)（汽車總成及各部件）在馬來(lái)西亞的工業(yè)中占據(jù)非常重要的地位。隨著東盟自由貿(mào)易區(qū)的貿(mào)易自由化發(fā)展，當(dāng)?shù)氐钠囍圃焐毯凸?yīng)商應(yīng)該順應(yīng)汽車及其零部件的世界級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，比如噪聲和振動(dòng)就有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。馬來(lái)西亞的汽車工業(yè)主要是依賴于國(guó)外的技術(shù)，而底盤是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，所以底盤大多從國(guó)外進(jìn)口。為了改變這種趨勢(shì)，有必要建立發(fā)展馬來(lái)西亞自己的底盤設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)，這是對(duì)底盤進(jìn)行研究的目標(biāo)。</p&

9、gt;<p>　　底盤車架是汽車的裝配基體和承載基體，支承著汽車的各個(gè)總成及零部件，如車軸，懸架系統(tǒng)，傳動(dòng)系，駕駛室及拖掛部件等，并將它們整合成一部完整的汽車。貨車的底盤經(jīng)常受到靜載荷，動(dòng)載荷以及周期性載荷。靜載荷主要是車廂質(zhì)量、貨物及乘客，底盤的動(dòng)載荷是由于貨車的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和路面的不平整將會(huì)產(chǎn)生周期載荷。現(xiàn)有的底盤設(shè)計(jì)通常是基于靜載荷的分析，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是底盤的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以支承施加在底盤上的載荷。然而貨

10、車底盤的受力復(fù)雜，包括靜載、動(dòng)載和疲勞破壞方面。據(jù)估計(jì)，85%到90%的貨車底盤的結(jié)構(gòu)破壞是由疲勞破壞引起的[1]。因此，貨車底盤的動(dòng)態(tài)和疲勞分析是很重要的。為了獲得底盤的動(dòng)態(tài)和疲勞工況的情況，就要確定各個(gè)零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架、變速器等的支承點(diǎn)，并對(duì)其優(yōu)化。</p><p>　　許多研究人員都曾研究過(guò)貨車底盤。Karaoglu and Kuralay曾用鉚接的連接方式對(duì)底盤所有限元應(yīng)力分析[2]。研究數(shù)據(jù)表明，

11、局部增大縱梁的厚度可以減小邊梁的應(yīng)力，如果不能增大變量的厚度，增加接觸面的面積也可以減小應(yīng)力。Fermer et al用高級(jí)疲勞分析軟件MSC/Fatigue軟件對(duì)沃爾沃雙燃料車S10做了疲勞壽命分析[3]，Conle and Chu對(duì)復(fù)雜的底盤結(jié)構(gòu)的疲勞分析和局部的應(yīng)力應(yīng)變分布做了研究[4]，F(xiàn)erreira et al研究了汽車零部件耐久性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題[5]，F(xiàn)ermér and Svensson研究了工業(yè)上焊接的汽車結(jié)

12、構(gòu)的鐵基壽命預(yù)測(cè)問題[6]。</p><p>　　Filho et.al.考慮到小規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性，結(jié)合適當(dāng)?shù)膭?dòng)載荷和結(jié)構(gòu)特性對(duì)一越野車底盤做了設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]。研究表明，增大底盤的抗扭剛度，維持車架重心位置不變可以用來(lái)優(yōu)化越野車結(jié)構(gòu)，這樣，底盤車架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量得到優(yōu)化，結(jié)構(gòu)也跟簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本也少了。Cosme et al利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和工程軟件代碼Pro/E,ADAMS and ANSYS模擬了

13、改變?cè)O(shè)計(jì)對(duì)貨車車架的影響[8]。</p><p>　　Chiewanichakorn et al用試驗(yàn)得到的有限元模型，將已破壞的混凝土橋面替換為FRP鋼板，分析了桁架橋[9]。結(jié)果數(shù)據(jù)表明，修復(fù)過(guò)后，橋的疲勞壽命是修復(fù)前鋼筋混凝土橋面的兩倍，在貨車交通研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，橋面載荷及ERP鋼板系統(tǒng)的應(yīng)力范圍在無(wú)限疲勞壽命范圍中，即在其使用期間不會(huì)有桁架和地板系統(tǒng)的疲勞破壞現(xiàn)象。</p><p&g

14、t;　　Ye 和Moan已經(jīng)用有限元分析法分析了鋁制框加強(qiáng)筋的車架靜態(tài)和疲勞特性[10]，改變車架切割形狀和相應(yīng)的焊接過(guò)程，同時(shí)得到足夠的疲勞強(qiáng)度，這樣就能夠減小制造成本，并且解決連接問題。利用鐵的疲勞可以確定可能產(chǎn)生疲勞裂紋的關(guān)鍵點(diǎn)，并能預(yù)測(cè)門鉸鏈系統(tǒng)的壽命[11]。</p><p>　　本次研究中，對(duì)重型載貨汽車施加靜載荷，對(duì)其做應(yīng)力分析，確定產(chǎn)生疲勞裂紋的危險(xiǎn)點(diǎn)位置，以此作為該車架的疲勞壽命預(yù)測(cè)的備用數(shù)據(jù)。

15、</p><p>　　2.0貨車車架的有限元分析</p><p>　　2.1 有限元法基本概念</p><p>　　有限元分析法是一種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，用來(lái)獲得工程中邊值問題的近似解。簡(jiǎn)言之，邊值問題是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，其中一個(gè)或是多個(gè)應(yīng)變量必須要滿足一個(gè)自變量范圍已知的微分方程，還要滿足特定的邊界條件[12]。</p><p>　　有限元法的通俗

16、解釋是將一個(gè)結(jié)構(gòu)離散成無(wú)數(shù)個(gè)單元（結(jié)構(gòu)碎片），用簡(jiǎn)單的方法描述每個(gè)單元，然后用節(jié)點(diǎn)加各個(gè)單元重新連接起來(lái)，就像這些點(diǎn)是針腳或者點(diǎn)滴粘貼在一起形成各個(gè)單元（如圖1所示）。這樣就會(huì)產(chǎn)生一系列的同步代數(shù)方程。在分析應(yīng)力時(shí)，這些方程式是節(jié)點(diǎn)的平衡方程，這樣就會(huì)有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)這種方程，那么電腦的硬件要求就較高[13]。</p><p>　　圖1 二維輪齒的網(wǎng)格，所有的節(jié)點(diǎn)和單元都在紙平面內(nèi)</p><

17、;p>　　2.2 有限元法一般步驟</p><p>　　有限元法可以分析一些物理問題，包括結(jié)構(gòu)分析、流體分析、熱傳遞和其他問題，分析這些問題有些通用的步驟，這些步驟通常包括一些商用有限元分析軟件。主要有三大步驟，即前處理模塊、求解模塊和后處理模塊。前處理模塊要建立模型，這是必要的，如果發(fā)生了錯(cuò)誤，就不會(huì)有完美的計(jì)算機(jī)有限元求解結(jié)果。這一步驟包括：定義問題的幾何域，所需的單元類型，單元的材料屬性，單元的幾何性

18、質(zhì)（長(zhǎng)度、面積等等），單元的連通性（網(wǎng)格劃分），物理約束（邊界條件）和加載。</p><p>　　接下來(lái)就是求解，在這一步驟中，以矩陣方式列出的控制代數(shù)方程和未知的主變量是合成的，用計(jì)算結(jié)果回帶求得其他派生變量，如反應(yīng)力，單元應(yīng)力和熱流量。這一步驟要進(jìn)行矩陣計(jì)算，數(shù)值積分，方程求解，這些都是由軟件自動(dòng)解決的。</p><p>　　最后是后處理模塊，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估。在這一部中，可以完成

19、的操作包括按單元應(yīng)力的大小分類，檢查平衡，計(jì)算安全因素，繪制結(jié)構(gòu)的變形形狀，以動(dòng)畫的形式顯示模型，以不同的顏色顯示溫度的分布。大型軟件都會(huì)有一個(gè)前處理模塊和后處理模塊來(lái)完成分析，這兩個(gè)模塊都可以和其他的軟件相同。前期處理和后期處理根據(jù)不同的項(xiàng)目會(huì)有各自的程序。</p><p>　　2.3 貨車的定義和分類</p><p>　　貨車是一種重型機(jī)動(dòng)車輛，是用來(lái)承載貨物的。貨車的另一種定義是用來(lái)

20、牽引的激動(dòng)車輛。對(duì)貨車的其他定義將根據(jù)貨車的類型變化，例如自動(dòng)傾卸卡車的貨物可以作清空處理，車前端的平臺(tái)末端就可以有空氣作用被升起，此時(shí)載荷通過(guò)重力施加。</p><p>　　房車或拖車有兩種分類，一種是根據(jù)重量分類，由美國(guó)政府定的從1級(jí)到8級(jí)，如表1和表2所示；第二種是更為廣泛的分類：輕型載重汽車；中型載重汽車和重型載重汽車。表1 貨車分類及等級(jí)</p><p>　　表2 制造商的貨

21、車分類</p><p>　　注：總質(zhì)量額定值：制造商指定的質(zhì)量作為一輛車的最大裝載質(zhì)量（貨車加貨物）。</p><p>　　2.4 貨車車架模型</p><p>　　該模型如圖2所示。模型長(zhǎng)12.35m，寬2,45m，材料為ASTM低合金鋼710（3級(jí)），屈服極限552MPa，抗拉強(qiáng)度620MPa。車架的其他屬性見表3。</p><p>　　

22、表3 貨車車架的材料屬性</p><p>　　圖2 貨車底盤模型</p><p><b>　　2.5 加載</b></p><p>　　貨車模型承受來(lái)自車身和貨物的靜載荷，該車的最大裝載質(zhì)量為36000kg，假設(shè)由最大載質(zhì)量求得一個(gè)總的壓力，將這個(gè)壓力平均的分配到貨物和底盤上表面的接觸面上，具體的加載如圖3所示，底盤上表面的壓強(qiáng)為67564

23、.6N/m2 。</p><p>　　圖3 靜載荷（壓強(qiáng)為67564.6N/m2）</p><p><b>　　2.6邊界條件</b></p><p>　　本模型有3個(gè)邊界條件。第一個(gè)施加在底盤前端，第二和第三個(gè)邊界條件在底盤的后端，如圖4所示。第一個(gè)邊界條件是固定的（約束有軸的平移自由度，釋放所有軸的旋轉(zhuǎn)自由度），底盤與駕駛室的接觸條件如圖

24、5（a）所示。車架與車軸間由彈簧連接，將貨物和底盤的重量傳遞到車軸上，所以第二個(gè)邊界條件施加在底盤與彈簧上端連接的地方。</p><p>　　第二個(gè)邊界條件如圖5所示，平移自由度只約束在軸2上，所有軸的旋轉(zhuǎn)自由度都釋放。第三個(gè)邊界條件施加在底盤孔的內(nèi)表面和螺栓的外表面的接觸面處，在ABAQUS軟件中，這種接觸是相互作用的，本文中的相互作用是面與面之間的摩擦作用。此時(shí)，螺栓所在的軸的平移自由度和旋轉(zhuǎn)自由度都為零，稱

25、為固定約束。假定螺栓都是剛性元件，故螺栓選用楊氏模量很高的材料。</p><p><b>　　圖4 模型的約束</b></p><p><b>　　圖5 實(shí)物的約束</b></p><p>　　注：a——第一個(gè)邊界條件，b、c——第二個(gè)邊界條件，d——第三個(gè)邊界條件</p><p>　　3.0

26、 分析結(jié)果及討論</p><p>　　在等效應(yīng)力云圖中，最大應(yīng)力點(diǎn)在底盤開孔的地方，即與螺栓接觸的地方，如圖6所示，最大應(yīng)力為386.9MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)在86104單元和16045節(jié)點(diǎn)上。底盤開孔處的內(nèi)表面與非常堅(jiān)硬的螺栓接觸。第三個(gè)邊界條件也是固定約束，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的應(yīng)力?；陟o態(tài)安全系數(shù)理論，取安全系數(shù)為1.43，由安全系數(shù)公式得：</p><p>　　安全系數(shù)=極限應(yīng)力/許用

27、應(yīng)力 （1）</p><p>　　圖6 等效應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力點(diǎn)</p><p>　　Vidosic建議根據(jù)結(jié)構(gòu)的載荷和材料選取一些安全系數(shù)，對(duì)于一些常用的材料，當(dāng)載荷很容易確定時(shí)，安全系數(shù)可以取1.5到2?；诜治鼋Y(jié)果，為了得到底盤精確的安全系數(shù)值，有必要減小最大應(yīng)力值，因此對(duì)底盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改以提高安全系數(shù)，尤其是在臨界點(diǎn)區(qū)。</

28、p><p>　　底盤的位移和最大位移點(diǎn)如圖7所示，最大位移為4.995mm，位于底盤中部，最大的偏轉(zhuǎn)在第一個(gè)邊界條件和第二個(gè)邊界條件的中部。</p><p>　　為了驗(yàn)證分析結(jié)果，最大應(yīng)力發(fā)生在第一個(gè)邊界條件和第二個(gè)邊界條件之間，這一部分可以近似的簡(jiǎn)化為一維的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，在其中點(diǎn)施加集中力載荷，用施加在中點(diǎn)的集中力代替均勻分布在梁上的壓力，這一力的大小等于壓強(qiáng)的大小乘以受到壓力的所有面的面積，

29、求得結(jié)果與分析結(jié)果近似。計(jì)算求得的結(jié)果表明，這個(gè)簡(jiǎn)支梁的應(yīng)變點(diǎn)在梁的中部，大小為：</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　圖7 應(yīng)變分布云圖及最大應(yīng)變點(diǎn)位置</p><p>　　模擬結(jié)果的最大應(yīng)變值為4.99mm，比數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果大11.2%。</p><p><b>　　結(jié)論&l

30、t;/b></p><p>　　從數(shù)值分析可以看出，應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在與螺栓連接的底盤孔處，最大應(yīng)力值是很重要的，因?yàn)榘踩禂?shù)低于推薦值。由于疲勞破壞是從最大應(yīng)力點(diǎn)開始的，可以斷定，這一關(guān)鍵點(diǎn)是一些破壞的起源。因此，要注意減少這一點(diǎn)上的應(yīng)力值，這是很重要的。分析得到的最大撓度的位置與受均布載荷的簡(jiǎn)支梁的最大變形位置一致。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

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