张诚 刘道勇 王辉 丁培林 刘宗晟

摘要：为考虑商用车车架总成在用户使用中受扭转时的工况，台架试验引入了车架轴间扭转角参数。利用车架轴间扭转角度加载就可以利用室内车架疲劳试验台架尽可能的模拟车架的实际工况。然而在试验过程中发现，台架试验与CAE分析模型简化上的差异，导致结果出现较大的差异。本文为提高仿真的精度，建立了尽可能与试验模型一致的仿真模型。在建立台架仿真的模型时，考虑前后悬连接方式对车架的影响，在需要特别关注的部位设置了接触，同时考虑了结构的几何非线性和材料的塑性性能。利用Abaqus有限元软件完成了车架仿台架扭转分析，得到了结构的应力分布，然后将应力结果导入到疲劳软件，计算出结构的损伤和寿命。得到结果与台架试验结果吻合，一致性较高。

关键词：车架;台架试验;仿真;疲劳

中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018） 02-0062-06

1 引言

在对某商用车底盘车架进行台架试验中，出现车架开裂。然而车架开裂位置与疲劳耐久分析结果存在较大差异，对比台架试验和简化的CAE分析模型，发现CAE模型在模型简化中存在较多的问题。对于前悬结构，原始模型对夹具采用刚性单元建模，没有考虑实际夹具的柔性;对于后悬结构，原始模型只考虑了板簧，而忽略了后桥、V型推力杆和直推杆结构的影响，这些结构对车架的整体刚性有非常大的影响;对于加载压板，原始模型忽略了压板本身对结果的影响，未考虑建立压板模型;对于横梁连接板和纵梁的连接，原始模型只考虑了螺栓的连接，却忽略了车架纵梁和横梁连接板之间的接触关系。

本文完全依照试验条件，建立车架台架扭转试验的有限元模型，考虑了弯、扭组合工况下结构的几何非线性，材料的塑性，以及关键部位的接触，利用Abaqus解车架应力分布，并将Abaqus的结果文件导入疲劳分析软件，得到车架结构的损伤和寿命，并与台架试验对标，得到了较为满意的结果。

2分析模型

2.1前悬架总成模拟

在台架试验中，固定车架的钢梁在加载中会产生柔性变形，因此需对钢梁用梁单元模拟，截面尺寸模拟与实际情况一致。而对于加载钢梁和支撑吊耳钢梁之间的支架，由于其刚性较大，故简化用刚性单元模拟。悬架连接点的自由度释放与试验状态一致，旋转副约束平动自由度，铰链释放单向转动，扭转加载方式与试验一致在钢梁的一端施加强制位移。

2.2后悬架总成模拟

本文建立了包含后桥推力杆等结构后悬总成的有限元模型。图3为简化后懸模型、仿台架试验后悬模型和实际后悬结构的对比。

在仿台架试验的最终模型中，钢板弹簧用SPRINGJ2单元模拟，刚度与实际一致;V型推力杆和直推杆用梁单元模拟，且保证梁单元的截面形状与实际结构的截面形状一致。对于车桥，由于其不是重点关心的区域建立其有限元模型会占用非常多的计算资源，且其相对于车架结构刚性很大，因此用梁单元来对车桥进行简化模拟，设置梁单元的刚度很大，认为其是刚性的。在有限元模型中保证所有的硬点坐标与实际状态一致，且所有连接点的自由度释放与实际状态一致。

2.3关键部位接触模拟

在仿真计算中按照实际情况设置接触可以提高结果的精度，但同时也会极大的增加计算成本。因此，本文只需对关键部位设置接触，如图4所示。

通过扭转工况下的变形和应力分布，可以确定第二横梁附近为扭转变形的过渡区域，因此需在此区域建立纵梁与横梁连接板之间的接触。同时压板与车架之间只考虑螺栓连接与实际差异较大，因此也设置了接触属，如图4所示。

2.4材料的塑性特性

在车架台架强扭试验中，结构部分区域会出现塑性变形，因此，在进行有限元分析时，需考虑材料的塑性特性。本文有限元模型共涉及10种材料，其中纵梁、横梁及一些关键的铸件给定了材料的塑性。本文基本材料特性由供应商提供。利用单向拉伸试验测得的数据，往往都是名义应变和名义应力，在ABAQUS软件中，需要用真实应力和真实应变来定义塑性。在ABAQUS的数据输入中，需利用公式将名义应力应变通过公式转换为真实应力和真实应变。本文考虑材料为双线性弹塑性应力应变本构关系，ABAQUS中的材料输入见下表1。

2.5边界条件

本文边界条件按照台架试验的方式加载，如图5，在扭转钢梁的端点施加沿Z向的强制位移，保证车架扭转角度为+/-5.5。，车架压板施加17.6KN垂向力在加载压板上，压板与车架通过四个螺栓相连。

3 计算结果和分析

3.1后悬模型对结果的影响

上一章中提到的影响因素在最初的有限元模型中均未考虑，计算结果与实际差距很大，应力值极大，考虑了后悬结构后，结果应力的大小和分布都发生了变化。初始模型和考虑后悬总成的结果对比如图6。

其中上侧为初始模型，下侧为考虑后悬总成模型。从对比结果可以看出，考虑后悬总成后的模型，最大应力值明显下降，从3251MPa下降至2377MPa，高应力区的位置也发生了转移，应力位置与试验状态更为接近。

3.2前悬模型对结果的影响

在考虑后悬总成的基础上，对前悬模型进行修正，考虑夹具的柔性后，车架纵梁的应力值进一步下降，最大应力降至1310 MPa，计算结果见图7。高应力区位置更接近疲劳试验的开裂区域。

3.3材料非线性对结果的影响

根据前文的分析结果，纵梁最大应力高达1310MPa，明显超出材料的屈服强度，因此在计算中未得到较为精确的计算结果，必须考虑材料的塑性特性，对纵梁结构考虑材料的非线性因素后，纵梁最大应力降至551 MPa，见图8。

只考虑纵梁的材料非线性会导致横梁的应力明显增大，也会超过屈服强度，因此对于横梁也需要考虑其材料的塑性性能。考虑横梁材料非线性后高应力区结果见图9。

设置横梁材料的非线性特性后，纵梁最大应力升高至653 MPa。由此可见，材料的非线性对结果有极大的影响，在最终的模型中.所有的纵梁横梁，以及关键铸件都考虑了材料的非线性。

3.4考虑接触和连接自由度对结果的影响

在上述模型的基礎上，对高应力区的纵梁和横梁连接板之间以及压板与纵梁之间都设置了接触属性。同时对旋转副、铰链等连接处的自由度进行了修正，得到了最终的计算结果。车架纵梁上的最大应力出现在第二横梁连接的螺栓孔附近，最大应力值691 MPa，纵梁的应力结果云图如图10所示。

4 疲劳仿真结果对标

疲劳寿命的计算需要结构的应力结果和材料的S-N曲线。结构的循环工况的应力可以通过上述的静力学仿真得到，为降低疲劳分析的计算量，可以只输出应力高的关键部位结果，本文在疲劳计算中只输入了纵梁在第二横梁附近的一段车架应力结果到疲劳软件中计算。纵梁材料的S-N曲线通过升降法得到，纵梁材料的S-N试验数据见下图11。

通过试验可得到纵梁材料50%存活率时S-N拟合曲线。在疲劳计算中创建疲劳工作循环，一个工作循环中包括+/-5.5。加载的两个工况组合，计算一个循环内的损伤值即可得到车架热点应力的寿命。为验证本文模型的正确性，本文将各种建模方式下的热点应力寿命均进行了分析，各模型在纵梁弯扭组合工况下疲劳仿真的寿命结果见下表2。

表2中，各热点应力的位置见图12。

表2中，模型的考虑因素为后续模型包含前模型的，即最终模型考虑了上述所有的因素。从表2中也可看出，不同模型的计算结果疲劳预测的寿命以及最低寿命的部位均有较大差异，各模型的寿命对比如图13。

对于最终模型，疲劳软件预测纵梁最低寿命位置，出现在车架纵梁与第二横梁连接的螺栓孔附近，即图12中2号区域，且寿命为109502次。该位置与台架试验裂纹出现的位置一致，见图14，且该裂纹出现在台架试验扭转9.78万次时。最终模型的疲劳仿真的预测结果与台架试验结果基本一致。这也说明了在对车架台架疲劳试验进行仿真时，前文涉及到的考虑因素都是很有必要的，通过前文方式对模型进行修正可提高计算的精度

台架试验的结果也验证了有限元模型的准确性。对于车架纵梁结构，在折弯处最容易出现应力集中，因此，在车架纵梁的折弯处禁止打孔，而此次台架试验出现裂纹位置虽不在折弯处，但也是出现在离折弯处最近的孔位上，在折弯处建议加强，同时在此处螺栓安装时也需要格外注意。

5结束语

本文为得到较高精度的疲劳仿真结果对模型的建立进行了大量的摸索和比较，对模型的反复修正使得计算结果与台架试验的结果更加吻合。为佐证本文仿真分析模型的准确性，本文也与其他一切研究者的结果进行了比对，其中邓祖平在对轻卡车架有限元分析和台架试验结果对比中就提到，后桥结构的简化以及加载方式的差异导致应力集中误差较大。洪学臣在对车架台架疲劳试验验证中，考虑了试验夹具对仿真结果的影响，成功预测了车架试验开裂部位，但其只进行了强度分析，计算了高应力区还无法预测车架疲劳寿命。

本文利用Abaqus软件对某商用车车架台架扭转疲劳试验进行了仿真分析，各种模型处理方式的结果表明，在建立车架模型时，除建立车架结构模型外，还需考虑前后悬结构以及试验夹具等对结果的影响，前悬夹具材料如果在加载中存在柔性变形，则在建模时需建立其柔性体模型;后悬结构包括推力杆、后桥等当刚度远大于车架刚度时，可对结构进行适当的简化处理，但连接处的位置和自由度释放必须保证与实际情况一致。对于结构中的一些关键部位，如果存在接触关系需在仿真分析时考虑接触来提高计算精度。

本文通过对多种建模方式的对比，总结得到了一套精度较高的车架台架疲劳试验仿真建模方式，并利用疲劳分析软件估算了车架扭转疲劳寿命，仿真计算结果与台架试验的结果吻合度较高，为后续的台架试验的仿真计算提供了参考和借鉴。