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利用爆炸法预测卡车车架开裂位置 |
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作者：北汽福田汽车工程研究院 唐波 |
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使用LS-DYNA软件计算重型卡车动态冲击，通过对8个爆炸点的应力变化、应力起始位置和应力方向进行分析，初步判断车架开裂位置，最后和可靠性疲劳强化破坏试验进行比较，得出的结论可供汽车设计人员参考。
车架疲劳计算
LS-DYNA软件是著名的非线性动力学分析软件，福田汽车工程研究院在2006年引进该软件，用于碰撞安全性能结构耐撞性分析和冲压成型分析。2009年，我们尝试用LS-DYNA软件计算卡车车架动态冲击，并且摸索出卡车车架开裂的一些规律。
疲劳分析是汽车设计当中的最难点，任何车辆在行驶到一定里程后都会存在疲劳开裂的问题，并且开裂位置与加工工艺、司机开车习惯、行驶路况及行驶里程等有着密切的关系。
目前，国内外汽车企业在汽车设计阶段通过CAE方法计算疲劳开裂问题，通常先在ADAMS当中提取整车的载荷，再在NASTRAN软件下计算各种工况的静应力，最后提交到N-CODE软件当中计算开裂的周期。通常计算结果都是应力大的区域会出现疲劳开裂问题，但是在实际的试验当中我们发现许多应力很大的区域并未出现开裂，而一些应力相对较小的区域却出现了开裂。笔者认为：NASTRAN软件只计算静态受力，但是卡车过坑过坎都属于动态冲击，可以使用LS-DYNA计算整车动态冲击，通过观察应力的扩展等相关信息预测疲劳车架开裂的位置，支持汽车疲劳分析与设计工作。
四轴重型卡车动态冲击模型
某全新设计的8×4卡车车架在设计当中需要预测车架在极限工况下的开裂位置，整车整备质量11t，装货36t（考虑司机超载运输），货厢内共放置18个托盘，每个托盘2t。卡车以50km/h速度过一个30cm的深坑（见图1），轮胎接触深坑地面后急刹车，这个工况是所有疲劳试验当中的最恶劣工况。整车模型包括货厢、车架、副车架、车轴、板簧及轮胎，简化了驾驶室，车架、副车架和轮胎的网格最大尺寸为10mm，最小尺寸5mm，网格数量为598?173个，用LS-DYNA软件在4CPU硬件条件下计算花费16h。
图1 重型卡车模型与工况示意模型
轮胎模型是整车动态冲击分析的第一接触点，轮胎模型的准确程度直接影响了整车动态冲击分析的精度。轮胎的模型非常复杂，其中胎冠由9层结构组成，笔者将胎冠简化为3层，分别为轮胎外侧、胎冠和胎冠内侧线层（见图2），每层的材料具体技术参数要求轮胎厂家做试验提供，轮胎内的气压为8.8×105Pa。货厢内的货物装载方式、货物类型会影响车架应力分布，按照企业疲劳试验的工况在货厢内摆放1.1m ×0.9m×1.2m（长×宽×高）的砂箱，在模型当中通过建立rigidlink单元和MASS质量单元的方式来实现（见图3）。
图2 轮胎模型示意
图3 货厢内加载示意
板簧悬架是整车动态冲击分析当中的力学传递重要元件，在建立整车模型之间先对板簧模型按照试验数据进行标定，确保模型当中的板簧刚度与实际相同，并且在板簧和车架支架加入阻尼单元以模拟减振器，具体结构如图4、5所示。
图4 整车双前桥的悬架示意
图5 整车后双驱动桥的悬架示意
整车动态冲击分析结果
LS-DYNA软件计算之后将所有的碰撞结果在HYPERVIEW软件当中进行读取，主要关注平衡桥上端纵梁部分的应力变化、应力方向以及轮胎气压变化，具体结果如下：
在整个动态冲击过程当中轮胎发生了变形（见图6），因为接触深坑地面后立即急刹车，所以三轴的轮胎变形量最大，气压由8.8×105Pa上升到9.2×105Pa（见图7），没有发生爆胎现象。因为气压的变化直接反映了冲击受力情况，气压变化的准确度直接决定了整车动态冲击分析的精度，建议在做实际试验当中在轮胎内部加装气压监视系统，将实际试验测量数据与CAE分析数据进行对标，以提高CAE分析的精度。
图6 冲击过程当中轮胎变形示意
图7 三轴轮胎的气压变化
观察平衡桥上端的纵梁各部件的应力变化情况，从冲击开始到冲击达到最大力的过程当中，发现了8个应力爆炸点，从应力产生的顺序标号为1～8号，如图8所示。重点对这8个爆炸点进行详细分析，观察应力变化、应力起始位置和应力的方向。
图8 从冲击开始到冲击达到最大力的过程当中出现的8个应力爆炸点
如图9所示，通过应力扩张云图我们可以发现，这8个爆炸点犹如8颗炸弹在不同地方依次引爆，并且相邻的爆炸点应力云图进行融合。再对这8个点的应力方向进行分析，并且进行统计分类，具体如表所示。8个点的应力方向统计
 在后期的可靠性疲劳强化破坏试验当中，在平衡桥区域纵梁上出现了裂纹，所有的开裂点分布都在以上8个区域以内（包括结构对称），而第一个开裂点是7号区域，具体开裂位置与CAE分析完全相同，但是在CAE计算当中7号点的应力远远低于其他点，这就证明：疲劳开裂区域不一定是应力最大的区域，疲劳开裂受到应力方向、应力位置及应力扩张方向等因素的影响。1号区域虽然应力很大，但是应力爆炸点位于纵梁拐角处并且向周围扩张，而7号区域是由边缘向内扩张，并且在上衬梁的拐角处，容易造成疲劳开裂；在压应力和拉应力比较当中，相同的应力情况下拉应力容易造成疲劳开裂，所以8号点没有出现开裂现象。
图9 爆炸点位置的应力扩张云图
结语
疲劳设计是汽车设计领域的最难点，目前还没有精确判断疲劳开裂位置和周期的方法。笔者尝试性做整车动态冲击CAE分析并且与可靠性疲劳强化破坏试验相比较，得到以下结论供各位读者和汽车设计人员参考。
1. 通过LS-DYNA计算动态冲击，并且通过爆炸法来判断疲劳开裂位置是一种非常有效的CAE方法，所得到的数据可以支持汽车疲劳分析与设计工作。
2. 疲劳开裂区域不一定是应力最大的区域，疲劳开裂受到应力方向、应力位置和应力扩张方向等因素的影响。相同的应力情况下拉应力容易造成疲劳开裂，通过有效控制以上因素来提高金属材料的承载能力，对轻量化设计有一定的支持。
3. 卡车纵梁设计中，对于铆接和螺栓连接两种方式，建议使用螺栓连接。螺栓连接对控制螺栓孔开裂有一定帮助。在纵梁设计中，尽量减少在纵梁弯面上开孔。对于连接的衬梁在拐角处扩大拐角半径，防止应力集中。 (end)
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(11/12/2009) |
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