基于复杂边界的牵引车车架疲劳研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.05.017

摘要/Abstract

摘要：

为提高车架疲劳寿命计算精度和在设计阶段对车架寿命进行准确预测，须考虑主结构外连点处动载荷对车架疲劳的影响及耦合作用，故本文中提出基于复杂边界的车架疲劳研究方法。通过试验场整车载荷谱采集，得到其全循环损伤值，基于损伤等效原理获得多种路面组合损伤值，与全循环损伤值等效精度为99.5%。构建主结构外连点的有限元车架模型，输出复杂边界的单位应力场；基于载荷谱、台架数据建立含有鞍座、拖车系统的高精度整车动力学模型，获取外连点处动载荷；由疲劳损伤理论计算车架疲劳，疲劳分析结果由试验场路试验证，结果表明基于复杂边界的车架模型仿真精度高，结合局部优化、模型重构使车架寿命满足要求。

关键词: 复杂边界, 动载荷, 损伤等效, 虚拟迭代, 寿命优化

Abstract:

In order to enhance the accuracy of frame fatigue life calculation and accurately predict the frame life in the design stage, it is necessary to consider the influence and coupling effect of the dynamic load on the fatigue of the frame at the outer connection point of the main structure. In this paper, a research method of frame fatigue based on complex boundary is proposed. The whole vehicle load spectrum is collected in the test field to obtain the whole cycle damage value. Based on the damage equivalent principle, the damage value of various surface road combinations is obtained, which is equivalent to the target value of the full cycle, with an accuracy of 99.5%. A finite element frame model with outer points of the main structure is constructed and the unit stress field of the complex boundary is output. The high-precision vehicle dynamics model with saddle and trailer system is established based on the test field load spectrum and the bench test data, to obtain the dynamic load of the outer connection point. The fatigue of the frame is calculated by the fatigue damage theory, with the fatigue analysis results verified by field tests. The results show that the frame model with the complex boundary has high simulation accuracy. Through local optimization and model reconstruction, the frame life can meet the requirements.

Key words: complex boundary, dynamic load, damage equivalence, virtual iteration, life optimization

张宗阳,谢双双,王凯,张玉鹏,邴涛,孙士涛. 基于复杂边界的牵引车车架疲劳研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 873-879.

Zongyang Zhang,Shuangshuang Xie,Kai Wang,Yupeng Zhang,Tao Bing,Shitao Sun. Fatigue Study of Tractor Frame Based on Complex Boundary[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(5): 873-879.

图/表 20

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参考文献 20

1	郝琪，吕鹏，吴胜军，等. 可靠性多学科优化在重型车车架设计中的应用研究［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2016， 39（6）： 736-740.
	HAO Q， WU P， WU S J， et al. Application of reliability-based multidisciplinary design optimization in heavy truck frame design［J］. Journal of Hefei University of Technology， 2016， 39（6）： 736-740.
2	李伟平，王振兴，张宝珍，等. 基于区间不确定性的车架非线性可靠性优化［J］. 中国机械工程， 2014， 25（12）： 1694-1699.
	LI W P， WANG Z X， ZHANG B Z， et al. Frame’s nonlinear reliability optimization based on interval uncertainty［J］. China Mechanical Engineering， 2014， 25（12）： 1694-1699.
3	马芳武，王卓君，杨猛，等. 汽车后副车架轻量化概念设计方法研究［J］. 汽车工程， 2021， 43（5）： 776-783，790.
	MA F W， WANG Z J， YANG M， et al. Research on lightweight conceptual design method of vehicle rear subframe［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（5）： 776-783，790.
4	程稳正，余小巧，肖厦，等. 基于应力张量分析的后副车架疲劳试验［J］. 汽车工程， 2021， 43（10）： 1555-1564.
	CHENG W Z， YU X Q， XIAO X， et al. The fatigue test of rear sub-frame based on stress tensor analysis［J］. Automotive Engineering， 2021， 43（10）： 1555-1564.
5	HONDA M， KAWAMURA C， KIZAKI I，et al. Construction of design guidelines for optimal automotive frame shape based on statistical approach and mechanical analysis［J］. Computer Modeling in Engineering & Sciences， 2021， 128（2）： 731-742.
6	KRZIKALLA D， MESICEK J， et al. On modeling of simulation model for racing car frame torsional stiffness analysis［J］. Alexandria Engineering Journal， 2020， 59： 5123-5133.
7	朱剑峰，张君媛. 汽车减振器支架焊缝疲劳寿命优化设计［J］. 汽车工程， 2017， 39（7）： 802-806.
	ZHU J F， ZHANG J Y. Optimal design of fatigue life for the welds in vehicle shock absorber bracket［J］. Automotive Engineering， 2017， 39（7）： 802-806.
8	黄元毅，董国红，钟明，等. 基于实测动态道路载荷谱的车辆疲劳性能设计［J］. 汽车工程， 2017， 39（11）： 1281-1285，1293.
	HUANG Y Y， DONG G H， ZHONG M， et al. Vehicle fatigue performance design based on dynamic road load spectra measured［J］. Automotive Engineering， 2017， 39（11）： 1281-1285，1293.
9	LI Zhi， WANG Yuanshao. Research on bench fatigue test method of frame under torsion condition［J］. Journal of Mechanical Engineering， Automation and Control Systems， 2020， 1（2）： 67-74.
10	柳泽田，尹辉俊. 基于柔性体载荷谱提取的某乘用车后副车架动态疲劳寿命分析［J］. 机械设计， 2020， 37（5）： 91-97.
	LIU Z T， YIN H J. Analysis on dynamic fatigue life of the passenger vehicle’s rear sub-frame based on load-spectrum extraction of flexible body［J］. Journal of Machine Design， 2020， 37（5）： 91-97.
11	LI Qiang. A truck frame fatigue life forecast based on virtual prototype technology［J］. Advanced Materials Research， 2014， 3137（912-914）： 566-569.
12	王树英，陈有松，石文山，等. 某商用车车架台架疲劳寿命预测与提升［J］. 机械设计与制造， 2018（5）： 117-119.
	WANG S Y， CHEN Y S， SHI W S， et al. Bench test fatigue life prediction and improvement of an commercial frame［J］. Machinery Design & Manufacture， 2018（5）： 117-119.
13	姜鑫，何继锟，展新，等. 基于虚拟可靠性试验的车架结构疲劳分析［J］. 现代制造工程， 2020（12）： 64-69.
	JIANG X， HE J K， ZHAN X， et al. The fatigue analysis of vehicle frame based on virtual reliability test［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2020（12）： 64-69.
14	葛文韬，刘洲，段龙杨，等. 四驱SUV车架动态载荷仿真及疲劳分析［J］. 机械强度， 2019， 41（6）： 1466-1472.
	GE W T， LIU Z， DUAN L Y， et al. Dynamic load simulation of 4WD SUV and fatigue life analysis of frame［J］. Journal of Mechanical Strength， 2019， 41（6）：1466-1472.
15	郭秋红，展新，王敏，等. 考虑疲劳寿命的某中型商用车车架轻量化设计［J］. 机械设计与研究， 2020， 36（1）： 210-215.
	GUO Q H， ZHAN X， WANG M， et al. Lightweight design of a medium-sized commercial vehicle frame considering fatigue life［J］. Machine Design and Research， 2020， 36（1）： 210-215.
16	刘俊，张海剑，王威，等. 基于轮胎六分力的某商用车车架疲劳分析［J］. 中国机械工程， 2019， 30（21）： 2583-2589.
	LIU J， ZHANG H J， WANG W， et al. Fatigue analysis of commercial vehicle frames based on six-dimensional wheel loads［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（21）： 2583-2589.
17	吉志勇，王铁，李国兴，等. 实测车轮六分力激励的车架疲劳寿命分析［J］. 机械设计与制造， 2020（7）： 25-28.
	JI Z Y， WANG T， LI G X， et al. Fatigue life analysis of frame with measured six-component wheel force［J］.Machinery Design & Manufacture， 2020（7）： 25-28.
18	阎琨，程耿东. 惯性释放法在结构耐撞性拓扑优化中的应用和改进［J］. 计算力学学报， 2015， 32（3）： 293-300，338.
	YAN K， CHENG J D. Application of the inertia relief method and improved inertia relief method in crashworthiness topology optimization problem［J］. Chinese Journal of Computational Mechanics， 2015， 32（3）： 293-300，338.
19	李飞，郭孔辉，丁海涛，等. 汽车耐久性分析底盘载荷预测方法研究综述［J］. 科学技术与工程， 2010， 10（24）： 5960-5964.
	LI F， GUO K H， DING H T， et al. Chassis loads prediction approach of vehicle durability analysis research summary［J］. Science Technology and Engineering， 2010， 10（24）： 5960-5964.
20	MINER M A. Cumulative damage in fatigue［J］. Journal of Applied Mechanics， 1945（12）： 159-164.

试验工况	特征路面	循环次数
满载工况	坑洼路A	13 031
	振动路B	3 509
	扭转路	3 022
	振动路A	1 277
	制动路	1 279
半载工况	坑洼路A	3 843
	振动路B	2 190
	振动路A	671

名称	测试值/kg	仿真值/kg	误差/%
前桥轴荷	6 511	6 727	3.3
中桥轴荷	8 245	8 500	3.1
后桥轴荷	8 030	8 317	3.6