轻型货车前桥焊缝失效载荷分析与厚度匹配优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2022.07.017

Abstract

Abstract:

In view of the weld seam failure in the front axle of a light truck， the load spectra of vehicle durability test are collected in proving ground， and the virtual iteration method is used to get the load time history of each connecting point of front axle. The finite element model of front axle is built and a fatigue life simulation on front axle’s weld seam is carried out using inertia relief method. The analysis results are consistent with the failure features of road test in proving ground， verifying the accuracy of the model. Furthermore， the local stress state at the weld seam is obtained by means of virtual strain gauge， the failure dominant load of the weld seam under the random load of proving ground is determined by studying the damage direction distribution， uniaxial damage comparison and principal stress direction distribution， and the effects of the weld seam thickness at three localities in failed zone on fatigue life are analyzed. Finally， a matching optimization is conducted on the three thickness parameters by applying adaptive response surface technique and the results show that the fatigue life of the weld seam zone is increased by nearly 8 times， and the road test in proving ground also meets the durability requirement of 10 000 km driving without failure.

Key words: light truck, front axle, weld fatigue, load spectrum, failure dominant load, weld seam thickness optimization

Jinzhi Feng,Chenglin Yuan,Jiawei Yu,Xinrong Liu,Lihui Zhao. Failure Load Analysis and Thickness Matching Optimization of Weld Seam on Front Axle of a Light Truck[J].Automotive Engineering, 2022, 44(7): 1107-1116.

Figures/Tables 18

References 25

1	阳清泉，谷正气，米承继，等. SF33900型矿用自卸车车架疲劳寿命分析［J］. 汽车工程， 2012， 34（11）：1015-1019.
	YANG Q X， GU Z Q， MI C J， et al. An analysis on the fatigue life of frame in SF33900 mining dump truck［J］. Automotive Engineering， 2012， 34（11）：1015-1019.
2	兆文忠，李向伟，董平沙. 焊接结构抗疲劳设计理论与方法［M］. 北京：机械工业出版社，2017.
	ZHAO W Z， LI X W， DONG P S. Fatigue resistance design theory and method of welded structures［M］. Beijing： China Machine Press， 2017.
3	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.
4	安琪，赵华，刘映安，等. 基于多轴准则的货车车体疲劳寿命分析方法［J］. 机械工程学报， 2019， 55（2）：64-72.
	AN Q， ZHAO H， LIU Y A， et al. Fatigue life analysis method for freight carbody based on multi-axial criteria［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2019， 55（2）：64-72.
5	龙海强，胡玉梅，刘波，等. 基于随机载荷的白车身焊点疲劳寿命预测［J］. 汽车工程， 2016， 38（8）：1006-1010.
	LONG H Q， HU Y M， LIU B， et al. Fatigue life prediction for the spot welds of body-in-white based on random loadings［J］. Automotive Engineering， 2016， 38（8）：1006-1010.
6	SHIOZAKI T， YAMAGUCHI N， TAMAI Y， et al. Effect of weld toe geometry on fatigue life of lap fillet welded ultra-high strength steel joints［J］. International Journal of Fatigue， 2018， 116（NOV.）：409-420.
7	李晓峰. 基于虚拟疲劳试验的铁路车辆焊接结构疲劳寿命预测［D］. 大连：大连交通大学，2008.
	Li X F. Fatigue life prediction of railway vehicle welded structure based on virtual fatigue test ［D］. Dalian： Dalian Jiaotong University， 2008.
8	GAO Yuehua， ZHAO Wenzhong. Adaptive optimization with weld fatigue constraints based on surrogate model for railway vehicles［J］. Mechanics Based Design of Structures & Machines， 2014， 42（2）：244-254.
9	SHAMS E， VORMWALD M. Fatigue of weld ends under combined loading［J］. International Journal of Fatigue， 2016， 100（PT.2）：627-638.
10	HONG J K， COX A. Application of weld fatigue evaluation procedure for considering multi-axial stress states using the battelle structural stress method［C］. SAE Paper 2017-01-0388.
11	赵礼辉，刘斌，井清，等. 轻型商用车全寿命周期目标里程与运行工况研究［J］. 汽车工程， 2018，40（3）：342-348.
	ZHAO L H， LIU B， JING Q， et al. A research on target mileage and operation conditions in total life cycle for light commercial vehicles［J］. Automotive Engineering， 2018， 40（3）：342-348.
12	刘俊，刘亚军，张少辉. 基于虚拟迭代技术的中型货车驾驶室载荷谱的求取［J］. 中国公路学报， 2018， 31（9）：224-232，242.
	LIU J， LIU Y J， ZHANG S H. Obtaining load spectrum of a truck cab based on virtual iteration method［J］. China Journal of Highway and Transport， 2018， 31（9）：224-232，242.
13	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.
	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.
14	董国疆，颜峰，韩杰，等. 转向节疲劳性能与减振器阻尼关系研究［J］. 中国机械工程，2020， 31（24）：2950-2958.
	DONG G J， YAN F， HAN J， et al. Study on relationship between fatigue life of steering knuckles and shock absorber damping［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（24）：2950-2958.
15	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.
16	赵礼辉，李佳欣，井清，等. 关联用户的汽车试验场耐久性评价路况循环确定方法研究［J］. 汽车工程， 2020， 42（1）：127-133.
	ZHAO L H， LI J X， JING Q， et al. Research on the method of determining road condition cycles of durability test of correlated user automobile test field［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（1）：127-133.
17	刘俊，刘亚军，张少辉，等. 基于虚拟迭代及有限元理论的某中型货车驾驶室疲劳寿命研究［J］. 中国机械工程， 2018， 29（13）：1588-1595.
	LIU J， LIU Y J， ZHANG S H， et al. Fatigue analysis of a medium truck cab based on virtual iteration and finite element theory［J］. China Mechanical Engineering， 2018， 29（13）：1588-1595.
18	聂春戈，魏鸿亮，董平沙，等. 基于结构应力方法的正面角焊缝抗剪强度分析［J］. 焊接学报， 2015，36（1）：70-74.
	NIE C G， WEI H L， DONG P S， et al. Shear strength analysis of front fillet welds based on structural stress method［J］. Transactions of the China Welding Institution， 2015，36（1）：70-74.
19	BAO Ke， ZHANG Qing， LIU Yue， et al. Fatigue life of the welding seam of a tracked vehicle body structure evaluated using the structural stress method［J］. Engineering Failure Analysis， 2020.
20	寇宏滨，邱荣英，朱剑峰. 轿车用薄板焊接结构疲劳性能研究［J］. 中国机械工程， 2014， 25（15）：2107-2111.
	KOU H B， QIU R Y， ZHU J F. Study on fatigue property of auto seam welded thin-sheet structures［J］. China Mechanical Engineering， 2014， 25（15）：2107-2111.
21	兰凤崇，钟阳，庄良飘，等. 基于自适应响应面法的车身前部吸能部件优化［J］. 汽车工程， 2010，32（5）：404-408.
	LAN F C， ZHONG Y， ZHUANG L P， et al. Optimization of energy- absorbing members in front-end of car body based on adaptive response surface method［J］. Automotive Engineering， 2010，32（5）：404-408.
22	张凯成，李舜酩，孙明杰. 钢铝材料结合的商用车车架多工况轻量化优化设计［J］. 中国机械工程， 2020（18）：2206-2211.
	ZHANG K C， LI S M， SUN M J. Lightweight optimization design of commercial vehicle frames combined by steel and aluminum materials under multiple working conditions ［J］. China Mechanical Engineering， 2020（18）：2206-2211.
23	丁彦闯，兆文忠. 提高焊接结构疲劳寿命的刚度协调策略与应用［J］. 焊接学报， 2007， 28（12）：31-34.
	DING Y C， ZHAO W Z. Stiffness coordination strategy and application for improving fatigue life of welded structures［J］. Transactions of the China Welding Institution， 2007， 28（12）：31-34.
24	聂文武. 基于英国标准BS7608的客车动力总成悬置支架焊缝疲劳寿命评估［J］. 机械设计2020，37（S2）：143-147.
	NIE W W. The seam fatigue life assessment of coach powertrain mount based on BS7608［J］. Journal of Machine Design， 2020，37（S2）：143-147.
25	付雷，程荣龙，杨建国，等. 基于有限元的搭接接头应力集中系数分析［J］. 焊接学报， 2013，34（7）：109-112.
	FU L， CHENG R L， YANG J G， et al. Analysis of stress concentration coefficient of lap joint based on finite element method［J］. Transactions of the China Welding Institution， 2013， 34（7）：109-112.

[1]	ZHOU Wei, ZHANG Cheng-Ning, LI Jun-Qiu. [J]. , 2016, 38(12): 1407 -1414 .
[2]	ZONG Yi-Qi, GU Zheng-Qi, LUO Ze-Min, JIANG Cai-Mao, ZHANG Qi-Dong, YANG Zhen-Dong. [J]. , 2016, 38(12): 1427 -1433 .
[3]	ZHANG Ying-Chao, ZHAN Da-Peng, ZHAO Jing, ZHANG Zhe, LI Jie. [J]. , 2016, 38(12): 1434 -1439 .
[4]	TANG You-Ming, YAN Ling-Bo, LUO Qian, CAO Li-Bo. [J]. , 2016, 38(12): 1452 -1458 .
[5]	ZHANG Lei, LU Jian-Wei, JIANG Jun-Zhao, YAN Pei-Lei, LI Lei. [J]. , 2016, 38(12): 1477 -1482 .
[6]	ZHAO Liang, ZHANG Qiang, GUO Kong-Hui. [J]. , 2017, 39(1): 86 -91 .
[7]	SHEN Deng-Feng, WANG Chen, YU Hai-Sheng, ZHANG Tong, YI Xian-Ke. [J]. , 2017, 39(1): 15 -22 .
[8]	ZOU Tie-Fang, HU Lin, LI Ping-Fan, YI Liang. [J]. , 2017, 39(1): 41 -46 .
[9]	ZHOU Kai, ZANG Jing-Lun. [J]. , 2017, 39(2): 127 -132 .
[10]	ZUO Wen-Jie, CHEN Ji-Shun, LI Yi-Wen, LIU Nian. [J]. , 2017, 39(2): 145 -149 .

路况	石块路	小鹅卵石路	起伏路	凹坑路	搓板路	减速带等组合路
减振器位移	0.9-1.4	1.0-1.5	0.6-1.5	1.2-1.5	1.0-2.0	1.2-1.5
轴头加速度	0.6-1.0	0.7-1.0	0.8-1.5	0.8-1.1	0.8-1.0	0.6-0.8
轮心加速度	0.5-0.9	0.6-0.7	0.6-1.3	0.5-1.5	1.0-2.0	0.5-0.9
轮心垂向力	0.7-1.4	0.5-1.1	0.8-1.6	0.7-1.5	0.7-1.2	1.1-1.6

路况种类	循环次数
凹坑路	2 400
卵石路	4 800
起伏路	2 400
搓板路	1 200
减速带井盖铁轨组合路	1 200
石块路	8 400

项目	板簧座连接处厚度/mm	焊缝中部厚度/mm	前桥中段连接处厚度/mm	最大应力/MPa	质量/kg
初始值	8	6	8	139.4	25.71
厚度参数随机取值	14	15	11	181.7	25.83
厚度参数最优取值	12	15	16	80.0	25.85

Failure Load Analysis and Thickness Matching Optimization of Weld Seam on Front Axle of a Light Truck

RichHTML

PDF (PC)

Like

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 18

References 25

Related Articles 1

Metrics

Comments

Recommended 10

序号	板簧座连接处厚度/mm	焊缝中部厚度/mm	前桥中段连接处厚度/mm	焊缝危险处寿命（循环数）
1	8	6	8	0.20
2	10	6	15	0.28
3	10	10	15	0.51
4	10	30	15	1.45
5	10	10	18	0.59
6	14	10	15	1.26
7	12	12	15	1.33
8	14	12	15	1.36
9	12	14	14	0.95
10	12	14	15	1.44
11	14	14	15	1.45
12	12	15	15	1.48
13	12	15	16	1.57
14	12	16	15	1.52
15	12	14	17	1.54