簡析大客車橫向穩(wěn)定桿的虛擬疲勞

　　論文關(guān)鍵詞:橫向穩(wěn)定桿;有限元分析;虛擬疲勞分析

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　　論文摘要:根據(jù)大客車橫向穩(wěn)定桿的幾何參數(shù)、載荷及約束情況，建立了橫向穩(wěn)定桿的有限元分析模型�；�于疲勞壽命預測的相關(guān)理論，結(jié)合Abaqus有限元分析軟件和nSoft疲勞分析軟件進行虛擬疲勞分析，在較短的時間內(nèi)獲得了橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命分布、壽命薄弱位置等信息。結(jié)果表明，虛擬疲勞分析能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少試驗的工作量，降低開發(fā)成本。

    在多數(shù)轎車和客車上，為了防止車身在轉(zhuǎn)向行駛等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架中均設有橫向穩(wěn)定桿。橫向穩(wěn)定桿由彈簧鋼制成，呈扁平的U形橫向地安裝在汽車的前端或后端。汽車轉(zhuǎn)向時車身側(cè)傾，橫向穩(wěn)定桿一端下移，另一端則上移，而中部對于車架并無相對運動，于是橫向穩(wěn)定桿便被扭轉(zhuǎn)。彈性的橫向穩(wěn)定桿所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力矩阻礙了懸架彈簧的變形，從而減小汽車的側(cè)傾，使其保持良好的姿態(tài)。

    在實際工作狀態(tài)中，橫向穩(wěn)定桿常會受到大小不同的扭力作用，隨著受力次數(shù)的增加，某些部位會出現(xiàn)疲勞破壞。因此，疲勞壽命是設計中必須要考慮的一個重要因素，有必要對橫向穩(wěn)定桿進行虛擬疲勞分析。

    某新型雙層大客車，前、后懸架各安裝一套橫向穩(wěn)定桿。本文基于Abaqus有限元分析軟件進行線性靜力分析，結(jié)合nSoft疲勞分析軟件，對橫向穩(wěn)定桿進行虛擬疲勞分析。

　　1、虛擬疲勞分析的方法與過程

　　1.1疲勞分析的方法

    疲勞是在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環(huán)擾動之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。零件在循環(huán)加載下產(chǎn)生疲勞破壞所需的應力或應變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。按破壞時循環(huán)數(shù)的高低，疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞受應力幅控制，又稱應力疲勞。高周疲勞是各種機械中最常見的，簡稱疲勞。低周疲勞受應變幅控制，又稱應變疲勞。

    根據(jù)疲勞破壞的形式，常用三種疲勞分析方法: S_N名義應力法、e-N局部應變法、LEFM裂紋擴展壽命法。其中，S-N名義應力法適用于高周疲勞。

　　1.2虛擬疲勞分析的過程

    虛擬疲勞分析是將有限元應力、應變分析結(jié)果，導入疲勞分析系統(tǒng);而后在疲勞分析系統(tǒng)中建立材料的疲勞曲線，選擇或輸入循環(huán)載荷譜;在選擇合適的疲勞損傷累積規(guī)則后，疲勞分析系統(tǒng)自動進行疲勞分析，計算出零件的疲勞壽命分布，以幫助設計人員判斷設計壽命是否達到，或進行壽命優(yōu)化設計。圖1為虛擬疲勞分析流程圖。

    nSoft是nCode公司開發(fā)的一套完整的疲勞分析系統(tǒng)。專門為解決工程系統(tǒng)的疲勞問題而設計，主要由數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、疲勞分析等模塊組成�？捎糜诮鉀Q數(shù)據(jù)采集、疲勞設計分析以及實驗室疲勞模擬等問題。

　　2、橫向穩(wěn)定桿有限元分析

　　2.1幾何參數(shù)及幾何模型的確立

    橫向穩(wěn)定桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，參數(shù)見表1,  D為橫向穩(wěn)定桿直徑。
    利用UG軟件建立橫向穩(wěn)定桿的三維實體模型，然后通過IGES格式導入到Abaqus有限元分析軟件，將實體模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。

　　2.2材料參數(shù)

    橫向穩(wěn)定桿的材料為60Si2Mn，材料的彈性模量E=2.06 X105MPa，泊松比卜=0.29。

　　2.3單元類型的選擇與網(wǎng)格劃分

    四面體實體單元C3D10M具有二次位移特性，可以模擬不規(guī)則形狀的結(jié)構(gòu)，橫向穩(wěn)定桿軸線有較多的轉(zhuǎn)彎點，劃分單元后有很多不規(guī)則的形狀產(chǎn)生，選用該單元類型分析較有利。采用自由網(wǎng)格劃分，前橫向穩(wěn)定桿有278657個節(jié)點，188694個單元;后橫向穩(wěn)定桿有223886個節(jié)點，150321個單元。橫向穩(wěn)定桿有限元模型如圖3所示。

 

　　2.4載荷與約束處理

    橫向穩(wěn)定桿的簡化受力如圖4所示。B, C兩點是橫向穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿吊臂接觸的區(qū)域，簡化為兩支撐點;A, D兩點分別受大小相同、方向相反的垂直力作用。把B,C兩點作自由度約束處理，定義X, Y, Z三個方向的位移約束;A, D兩點的受力轉(zhuǎn)化為位移載荷處理。施加的位移載荷是客車滿載時橫向穩(wěn)定桿的偏移量。

　　2.5靜力分析

    在橫向穩(wěn)定桿兩端分別施加大小為10mm，方向相反的位移載荷進行靜力分析。最大主應力(Max Principal)前橫向穩(wěn)定桿為623.7MPa，位于節(jié)點140370處，后橫向穩(wěn)定桿為641 MPa，位于節(jié)點214338處。圖5為橫向穩(wěn)定桿的最大主應力云圖。絕對值最大的主應力(Abs MaX Principal)常用于疲勞壽命分析。本例中，前、后橫向穩(wěn)定桿絕對值最大的主應力分別和各自的最大主應力相等。

　　3、橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析

    由有限元靜力分析可知，前橫向穩(wěn)定桿最大Mises應力為869MPa，后橫向穩(wěn)定桿最大Mises應力為805MPa。上述應力均小于材料60Si2Mn的屈服極限; 1255MPa。因此，前、后橫向穩(wěn)定桿在工作過程中，材料均處于彈性變形區(qū)范圍，適合用S-N名義應力法進行疲勞分析。

    本例中，前、后橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命要求在振幅為110mm、頻率1一3Hz的條件下至少達到20萬次。

　　3.1材料的P-S-N曲線

    材料60Si2Mn的P-S-N曲線表達式為: 1gNp = aP + bplga，式中:NP一存活率為P時的疲勞壽命，a一應力幅的平均值((MPa) , aP, bP一與存活率有關(guān)的材料參數(shù)。
  根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，本文采用偏安全的存活率50%的a;和b;值，在nSoft中創(chuàng)建了對應的S-N曲線，如圖5所示。

　　3.2創(chuàng)建循環(huán)載荷譜

    本例中定義一個恒幅交變載荷，載荷的極大值為1，極小值為一1。這里定義的載荷是個相對量，是相對于有限元靜力分析中施加載荷的倍數(shù)。1表示疲勞載荷的大小等于有限元靜力分析中施加的載荷，-1表示疲勞載荷的大小等于有限元靜力分析中施加的載荷但方向相反，如圖6所示。

　　3.3虛擬疲勞分析結(jié)果分析

    圖7為nSoft軟件構(gòu)建的橫向穩(wěn)定桿虛擬疲勞分析流程圖。選用Miner線性損傷累積規(guī)則進行虛擬疲勞分析。前橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命最短的為140370節(jié)點，應力循環(huán)數(shù)為;后橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命最短的為214338節(jié)點，應力循環(huán)數(shù)為。疲勞壽命云圖和熱點(HOTSPOT)探測圖見圖8、圖9。
   事實上，疲勞壽命最短的節(jié)點也正是絕對值最大的主應力所在的節(jié)點。上述應力循環(huán)數(shù)滿足前、后橫向穩(wěn)定桿20萬次的使用壽命要求。

　　4、結(jié)論

    1)大客車橫向穩(wěn)定桿的設計滿足疲勞壽命要求。

    2)虛擬疲勞壽命分析設計，對提高機械產(chǎn)品開發(fā)水平，縮短開發(fā)周期，具有至關(guān)重要的作用。

    3)本文所述的虛擬疲勞分析具有一般性，對汽車零部件和結(jié)構(gòu)的設計具有指導意義。

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